近年KamiokandeやIMBなどの地下検出器で観測された大気ニュートリノ欠損は,素粒子の標準模型では説明できない例外的な現象の一つとして注目されており,大統一理論など標準模型を越えた新しい物理から予言されるニュートリノ振動と関連付けて多くの議論が成されている.この大気ニュートリノのフラックスを知る上で重要なパラメータの一つに,それらの崩壊元粒子である宇宙線ミューオンのスピン偏極度が挙げられる.宇宙線ミューオンのスピン偏極を考慮すると_eは前方に放出され易く,は後方に放出され易いために,_eのエネルギースペクトルは高エネルギー側に,のエネルギースペクトルは低エネルギー側にシフトし,その結果,スピン偏極を考慮しない場合に比べて,/_e比の計算値が最大で約20%も小さくなる.

　上記の大気ニュートリノ欠損は,ニュートリノエネルギーとして約1GeVおよび約6GeV付近で観測されたので,これらのエネルギー領域において宇宙線ミューオンのスピン偏極度を実験的に確認することは極めて重要である.これまで1950年代から1970年代にかけて,地表レベルにおけるエネルギーとして数GeV以下について多くの宇宙線ミューオンのスピン偏極度測定がなされた.また最近では(1990年),約1TeVにおいて測定がなされた.ところが1GeV近辺に関して最近の測定はなく,これまでの測定結果は非常にばらついている.さらに10GeV付近には一つの測定しか存在せず,その値も小さい.

　したがって我々は,スピン偏極度のわかっているミューオンビームを用いて較正された検出器を用いて,地表レベルにおけるエネルギーとして1GeVおよび14GeVの宇宙線ミューオンについてスピン偏極度の測定を行なった.

　水平に寝かせたアルミ板を用いて上方より飛来する宇宙線ミューオンを止め,その崩壊電子の上下非対称度を測定することにより,スピン偏極度を求めた.検出器の基本構造は,4cm厚アルミ板の上下に1cm厚プラスチックシンチレータを配置したものである.九つの基本構造を三層三段に組み上げ,その周りをアンタイカウンタで囲んだ.

　ミューオンは弱い相互作用により電子と二つのニュートリノに三体崩壊する.この際,崩壊電子はスピン方向に出易いので,その性質を利用してスピン方向を知ることができる.具体的には,上下シンチレーションカウンタで検出される崩壊電子数の非対称度は,崩壊元ミューオンのスピン偏極度に比例する.

　各カウンタの読みだしは光電子増倍管を用いて行なった.カウンタゲインの相違を相殺する目的で,上下カウンタを周期的に入れ換えて測定を行なった.ミューオンが入射してから崩壊するまでの時間を,Time-to-Digital Converterを用いて各事象毎に測定した.

　宇宙線中には正負ミューオンが存在する.アルミで止まった^-はアルミ原子核に捕獲され,瞬時にスピン偏極情報を失う.そのうちいくつかの^-は崩壊する前に核に吸収され消滅してしまうため,その寿命は約0.86sと⁺の寿命2.2sに比べ短くなる.この寿命の違いを利用して,オフライン解析において,正負ミューオンを統計的に区別した.

　高エネルギー物理学研究所内の東京大学中間子科学研究センターのブースター中間子施設において,偏極ミューオンビームを用いて,検出器の較正テストを実施した.

　検出器に使用したのと同種のアルミ小サンプルに偏極⁺ビームを入射して止め,サンプルに約30Gの外部垂直磁場をかけることにより,スピン歳差運動を観測した.歳差運動の振幅の時間変化を測定し,⁺のスピン緩和時間として約53sを得た.偏極^-ビームを用いて同じことを行ない,アルミ中における静止^-はほぼ完全に偏極情報を失うことを確かめた.同時にアルミ中における⁺および^-の寿命を測定し,それぞれ2.20±0.02sおよび0.82±0.07sと,文献値と合致する結果を得た.

　検出器の基本構造に対して垂直に偏極^±ビームを入射し止め,偏極^±に対する検出器の応答を調べた.ビーム運動量は固定し,検出器の前に置いた減速アルミ板の厚さを調整することにより,^±を検出器のアルミ内の異なる深さに止め,各位置について,崩壊非対称度を測定した.その結果,崩壊非対称度はミューオンの静止する深さと直線関係にあり,その傾きはモンテカルロシミュレーションと一致した.またミューオンの静止する深さを固定すれば,崩壊非対称度はカウンタの長さ方向の場所に寄らないことを確認した.さらに崩壊非対称度は前後カウンタの入れ換えに寄らないことも確認した.

　宇宙線ミューオンのスピン偏極度測定は,宇宙線研究所の明野観測所と大谷観測所で行なった.明野観測所内に点在するミューオンステーションのうちの一つ(M1)に検出器を設置し,測定を行なった.ミューオンステーションは厚さ2mのコンクリートの天井で覆われており,観測できる宇宙線ミューオンの海水面におけるエネルギー下限は約1GeVである.大谷観測所には大谷石採掘跡地として地下約33mに巨大な地下空間があり,そこに検出器を設置して測定を行なった.ミューオンのエネルギー下限は約14GeVである.明野,大谷ともに同じ検出器を用いて測定を行なった.

　1995年度5月から6月にかけて明野観測所において,同年7月から11月にかけて大谷観測所において取得したデータをもとに,宇宙線ミューオンのスピン偏極度を求めた.それぞれ実験場所において,約10⁶および10⁵個のミューオン崩壊事象を取得した.

　取得したデータの崩壊時間スペクトルより,^±を統計的に区別し,各々の事象数を上下カウンタそれぞれについて算出した.主なバックグランド事象は,上側カウンタで静止したミューオンの崩壊事象である.上下カウンタを同時にヒットする崩壊事象を用いて,このバックグランド事象数を見積もった.

　検出器の立体角によるアクセプタンスの違いから,ミューオンは検出器上方に止まり易い.この静止位置の上下非対称性に起因する崩壊非対称度を,スピン偏極0%と仮定してGEANTモンテカルロシミュレータにより見積もった.観測された崩壊非対称度からこの量を引くことにより,スピン偏極度に比例する正味の崩壊非対称度を得た.また崩壊非対称度はスピン偏極度に比例すると述べたが,その比例係数をスピン偏極100%と仮定してGEANTにより見積もった.

　大気と減速材(コンクリートおよび大谷石)を通過することによる減偏極はクーロン散乱により起こり,両実験場で約5%と見積もられた.アルミ減速板に静止した⁺のスピン緩和による減極度は,ビームテストの結果より約4%と見積もられた.

　宇宙線ミューオンの運動量および天頂角分布の不定性,減速材およびアルミ中における減偏極度の不定性,カウンタしきい値やゲインの不定性などによる系統誤差を見積もり,全ての不定性の二乗和平方根をとり約±0.07を得た.

　減偏極による補正も行ない,最終的に宇宙線ミューオンのスピン偏極度として,0.227±0.017(stat)±0.070(syst)(明野),および0.327±0.056(stat)±0.072(syst)(大谷)を得た.これまでの他の実験結果と合わせて図1に示す.

図1:Results of the measurement of the spin-polarization of cosmic-ray muons together with those of previous experiments. The full stars are the results of this work.The error bars for this work is a linear sum of the statistical(up to the horizontal short bar)and the systematic error.The theoretical expectations for the parent kaons(〜0.54)or pions(〜0.32)are also plotted as dashed lines.The theoretical expectations for K/＝0.1 is also shown by a dotted line.

　図1中には,ミューオンの親中間子が100%および100%Kのみと仮定した場合の理論曲線,および加速器実験のデータなどに基づいきK/比(＝0.1)と仮定した場合の理論曲線を示した.最近の宇宙線空気シャワーのモンテカルロシミュレーションではK/〜0.1と仮定されているが,我々はここで仮定されているスピン偏極度を支持する結果を得た.

　我々の実験の特徴を他と比較すると以下の様になる.

　・偏極ミューオンビームを用いて検出器を較正した.これまでの実験ではTurnerらの実験を除いて,ビームテストは行なわれていなかった.

　・GEANTモンテカルロシミュレータにより検出器の基本定数,例えば崩壊非対称度や検出効率などを求めた.GEANTでは崩壊電子の多重散乱などを扱うことができ,また正確な検出器のジオメトリも定義できる.これらを使った補正が重要であるが,これまでの実験ではほとんどなされていなかった.

　・崩壊時間をTDCを用いて測定した.これまでの実験では遅延コインシデンスの方法により行なわれていたので,これらに比べて単時間で統計を貯めることができた.

　明野(1GeV)における測定結果は同じ運動量領域にあるTurner,Barmin,Sen Gupta,Dol-gosheinらの結果と一致した.大谷(14GeV)における測定結果を比較的運動量の近い他の実験結果と比較すると,Turner,Bradtの結果と実験誤差内で一致した.

　我々の得たスピン偏極度をもとに,宇宙線ミューオンのスピン偏極度の大気ニュートリノフラックスへの影響を調べた.スピン偏極を考慮すると,大気ニュートリノ比/_eの計算値は,スピン偏極を考慮しない場合に比べて約16%小さくなることがわかった.この効果を含めるとFrejusおよびNUSEXの測定値は標準模型の枠内で説明できるが,Kamiokande,IMB-3,およびSoudan-2で観測された欠損は依然標準模型の枠内では説明できないことがわかった.