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■ 研究紹介 ハイパーカミオカンデの物理 東京理科大学理工学部 石塚 正基 [email protected] 東北大学ニュートリノ科学研究センター 清水 格 [email protected] 京都大学大学院理学研究科 Roger Wendell [email protected] 東京大学宇宙線研究所 矢野 孝臣 [email protected] 2019 年 (平成 31 年)2 月 8 日 1 はじめに 1998 年のスーパーカミオカンデによる大気ニュート リノ振動の発見によって，ニュートリノが非常に小さい ものの有限の質量を持つことが明らかになった。その後 も多くのニュートリノ振動実験において予想以上の成果 が得られ，ニュートリノの性質に対する理解は飛躍的な 発展を遂げた。一方で，ニュートリノが他の素粒子と比 べて極端に軽いことやニュートリノの性質が宇宙の物質 生成に決定的な役割を果たした可能性など，究明すべき 謎が新たに生じている。ニュートリノ研究は標準理論を 超えた新しい素粒子・宇宙物理学への突破口として世界 の注目を集めており，日本が主導する次世代計画である 「ハイパーカミオカンデ」の早期実現が世界中の研究者 から待ち望まれている。 ニュートリノ振動は， 3 種類あるニュートリノの混ざり 具合を表す混合角 3 つ（θ 12 ,θ 23 ,θ 13 ），ニュートリノの質 量の二乗差 2 つ（Δm 2 21 , Δm 2 32 ），CP 位相 1 つ（δ CP ）， 合計 6 つのパラメータで記述される。大気ニュートリノ 振動の観測では，このうちの θ 23 と |Δm 2 32 | が測定され た。ただし，m 2 と m 3 の大小は未決定であり，その測 定は今後の研究課題である。他のフェルミオンとの対比 から，m 3 >m 2 の場合を正常階層，m 3 <m 2 の場合を 逆階層と呼んで区別する。1970 年頃より問題となって いた太陽ニュートリノの観測結果と標準太陽模型による 予測の不一致は，スーパーカミオカンデと SNO 実験の 結果とを組み合わせることでニュートリノ振動により説 明できることが明らかにされた。2002 年にカミオカン デの跡地で原子炉からの反電子ニュートリノの観測を開 始したカムランド実験は，太陽ニュートリノ実験の測定 結果と合わせて θ 12 と Δm 2 21 の値を決定し，Δm 2 21 を精 度良く測定することに成功した。最後に残された混合角 θ 13 については，ゼロなのか，それとも小さいながらも 有限な値を持つのか，長らく未解明であった。しかし， 東海村の J-PARC 大強度陽子加速器を用いて生成した 強力なニュートリノビームを 295 km 離れたスーパーカ ミオカンデで観測する T2K 実験が，θ 13 による混合の 兆候を 2011 年に捉えた。震災の影響で 1 年間の実験停 止を余儀なくされたことが響いて，この混合角の存在の 確定こそ中国や韓国で行われていた実験に先を越された が，この混合により引き起こされるミューオンニュート リノから電子ニュートリノへの遷移（電子ニュートリノ 出現現象）を，T2K 実験が 2013 年に世界で初めて観測 した。電子ニュートリノ出現現象の発見により，ニュー トリノにおける CP 対称性の破れを測定してニュートリ ノ振動の全容を解明する道への扉が開かれた。 カミオカンデによる超新星ニュートリノの初観測は， ニュートリノ天文学という新分野を創出した。ニュート リノでは，光による観測では知ることのできない天体 内部のユニークな情報が得られる。将来の超新星ニュー トリノ観測では，大型で高性能な検出器によってカミオ カンデが観測した 11 事象を遥かに超える数のニュート リノを捕え，ニュートリノの放出量やエネルギーの細か な時間変化から内部の様子を調べ，爆発機構やブラック ホール生成の仕組みを明らかにすることが期待されてい る。 2017 年の中性子連星合体からの重力波と電磁波の同 時観測は，複数の信号から総合的に天体現象を解明する マルチメッセンジャー天文学として注目を集めている。 超新星においても重力波・電磁波・ニュートリノの連携 が実現すれば，さらに画期的な成果が得られると期待さ れる。また，過去の超新星爆発で作られたニュートリノ は現在の宇宙を満たしていると考えられており，この超 新星背景ニュートリノを観測し，星の形成や生命誕生の 元ともなった重元素の合成といった宇宙の進化の理解へ 183
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-
8
参考文献[1] K. Abe, et al. [T2K Collaboration], Phys. Rev.
Lett. 121, 171802 (2018).
[2] K. Abe et al. [T2K Collaboration], Phys. Rev. D
98, 012004 (2018).
[3] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Phys. Rev. C 84, 034604 (2011).
[4] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Phys. Rev. C 85, 035210 (2012).
[5] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Phys. Rev. C 89, no. 2, 025205 (2014).
[6] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Eur. Phys. J. C 76, no. 2, 84 (2016).
[7] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Nucl. Instrum. Meth. A 701, 99 (2013).
[8] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Eur. Phys. J. C 76, no. 11, 617 (2016).
[9] N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration],
Eur. Phys. J. C 79, no. 2, 100 (2019).
[10] A. Aduszkiewicz et al. [NA61/SHINE Collabora-
tion], Phys. Rev. D 98, no. 5, 052001 (2018).
[11] NA61/SHINE Beyond 2020 Workshop.
https://indico.cern.ch/event/629968
[12] A. Aduszkiewicz et al. [NA61/SHINE
Collaboration], CERN-SPSC-2018-008.
https://cds.cern.ch/record/2309890
[13] J. Evans, D. G. Gamez, S. D. Porzio, S. Söldner-
Rembold and S. Wren Phys. Rev. D 95, no. 2,
023012 (2017).
[14] G. Barr, NA61 beyond 2020 workshop,
https://indico.cern.ch/event/629968/contributions/2659929
1
Roger Wendell
2019 ( 31 ) 2 8
1
1998
3
3 θ12, θ23, θ13
2 Δm221,Δm232 CP 1 δCP
6
θ23 |Δm232|m2 m3
m3 > m2 m3 < m2
1970
SNO
2002
θ12 Δm221 Δm
221
θ13
J-PARC
295 km
T2K θ13
2011 1
T2K 2013
CP
11
2017
183
-
2
ニュートリノ
陽子の崩壊
超新星爆発 太陽大気J-PARC大強度加速器による高品質ニュートリノビーム
ハイパーカミオカンデ装置スーパーカミオカンデの約10倍の有効質量と2倍の光感度
水槽（超純水）直径74m × 高さ60m
写真提供：JAEA/KEK J-PARCセンター
新型光センサー（従来の2倍の感度）4万本
総質量 26万トン有効質量 19万トン
1:
1
p → e+ + π0 201.6 × 1034
2
Hyper-Kamiokande
Super-Kamiokande
J-PARC
CP
J-PARC
CP
1
8 km 650 m
60 m × 74 m26
10 19
50 cm 4
2
2
7.8 cm 19
Multi-PMT
15
300
2015 1
2020
3
3.1
CP1 CP
CP
1T2K 2σ CP[1]
184
-
2
ニュートリノ
陽子の崩壊
超新星爆発 太陽大気J-PARC大強度加速器による高品質ニュートリノビーム
ハイパーカミオカンデ装置スーパーカミオカンデの約10倍の有効質量と2倍の光感度
水槽（超純水）直径74m × 高さ60m
写真提供：JAEA/KEK J-PARCセンター
新型光センサー（従来の2倍の感度）4万本
総質量 26万トン有効質量 19万トン
1:
1
p → e+ + π0 201.6 × 1034
2
Hyper-Kamiokande
Super-Kamiokande
J-PARC
CP
J-PARC
CP
1
8 km 650 m
60 m × 74 m26
10 19
50 cm 4
2
2
7.8 cm 19
Multi-PMT
15
300
2015 1
2020
3
3.1
CP1 CP
CP
1T2K 2σ CP[1]
3
CP
[2] 2
δCP
π+ → νμ+μ+π− → νμ+μ−
J-PARC 295 km
νμ → νeCP
2 δCP
2018 500 kW J-PARC Main
Ring 1.3MW
T2K 280m
ND280
ND280
ND280
1 km 1,000
2
2: νμ ν̄μ
νe ν̄e
δCP sin2 2θ13 = 0.1
δCP δCP = 0
10
3: δCP sin δCP 0 CP
Multi-PMT
3 10 sin δCP 0
CP
δCP 5σ δCP
57% T2K −90◦10 δCP
7◦ 23◦ CP
185
-
4
3.2
K
100 MeV 1 TeV
10 km 10,000 km
νμ → ντ
3
MSW
νμ ↔ νe
DUNE
1300 km
2-
10 GeV
4
5
4:
νμ → νe ν̄μ → ν̄ecos θ < 0 2-
10 GeV
θ23
10 3.8σ
θ23
45◦ ν2 ν3θ23 45
◦
θ23
θ23
θ23 45◦
θ23
186
-
4
3.2
K
100 MeV 1 TeV
10 km 10,000 km
νμ → ντ
3
MSW
νμ ↔ νe
DUNE
1300 km
2-
10 GeV
4
5
4:
νμ → νe ν̄μ → ν̄ecos θ < 0 2-
10 GeV
θ23
10 3.8σ
θ23
45◦ ν2 ν3θ23 45
◦
θ23
θ23
θ23 45◦
θ23
5
5:
θ23
3 sin2 θ23 = 0.4 0.5 0.6
νμ → ντ
3.3
(4p →He+2e++2νe)
6 1990
SNO
CPT
θ12 Δm221 7 θ12
Δm221 2σ
MSW
Δm221
6:
[3] pp
CNO
4%
2σ
4σ
MSW
[5] MaVaN [6] [7]3He+ p → 4He+ e+ + νe
hep
3.4
187
-
6
7: (θ12, Δm221)
[4] KamLAND
3σ
1987 2 23 IMB Baksan
SN1987A
24
30
2 3
SASI Standing Accersion Shock
Instability [9]
( 8) 1
SASI
5 7
SASI
1◦ ∼ 1.3◦1
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1.
3.
5.
2.
4.
6.
8: [8]
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
2018 6 2019 1
SK-Gd
SK-Gd 10 4σ
188
-
6
7: (θ12, Δm221)
[4] KamLAND
3σ
1987 2 23 IMB Baksan
SN1987A
24
30
2 3
SASI Standing Accersion Shock
Instability [9]
( 8) 1
SASI
5 7
SASI
1◦ ∼ 1.3◦1
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1.
3.
5.
2.
4.
6.
8: [8]
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
( )
2018 6 2019 1
SK-Gd
SK-Gd 10 4σ
7
4
CP
1016 GeV
SU(5) SO(10)
τp ∼ 1035
1035
1035
6× 1034 (5× 1034
p → e+ + π0 π0
9 10
p → e++π0 τp < 6×103410 3σ
p → ν̄ +K+
9: 10
1.7× 1034100MeV/c
100 ∼ 250MeV/c
K+
K+ → μ+ + νμ64% K+ → π+ + π0 21%
K+
p → e+ + π0
40% 6MeV
K+ τ ∼ 12 ns
2
p → ν̄ + K+τp < 2 × 1034 10 3σ
189
-
8
5
1996
20
K2K T2K
300 km
T2K
2020
[10]
[1] K. Abe et al. (T2K Collaboration), Phys. Rev.
Lett. 121, 171802 (2018).
[2] M. Fukugita and T. Yanagida, Phys. Lett. B174,
45 (1986).
[3] A. M. Serenelli, W. C. Haxton, C. Pena-Garay,
ApJ. 743, 24 (2011).
[4] Y. Koshio, AIP Conf. Proc. 1666, 090001 (2015).
[5] A. Friedland, C. Lunardini, C. Pena-Garay,
Phys. Lett. B 594, 347 (2004).
[6] M. Barger, P. Huber, D. Marfatia, Phys. Rev.
Lett. 95, 211802 (2005).
[7] P. C. de Holanda and A. Yu. Smirnov, Phys. Rev.
D 69, 113002 (2004).
[8] H. T. Janka, K. Langanke, A. Marek,
G. Martinez-Pinedo and B. Mueller, Phys. Rept.
442, 38 (2007).
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[10] ”Hyper-Kamiokande Design Report”, K. Abe
et al. (Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration),
https://arxiv.org/abs/1805.04163 (2018).
190
![e g b b i j h ] j Z f f u g Z 2016-2017 ] h ^ u · Õ þ ü û ø ô û ï í ú ú ò û î û ô ú í ò ú õ õ ü ý ò ñ þ ÿ í ï ø ò ú õ ò ù í ÿ ò ý õ í ø](https://static.fdocuments.net/doc/165x107/5eb4a17a7011b96b01347b4c/e-g-b-b-i-j-h-j-z-f-f-u-g-z-2016-2017-h-u-.jpg)
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