ニュートリノを探る

カミオカンデ、スーパーカミオカンデからハイパーカミオカンデ計画へ
ニュートリノ・陽子崩壊を探る。

ハイパーカミオカンデ用20インチ新型センサ

ハイパーカミオカンデ用20インチ新型センサ

1987年2月23日、史上初の超新星爆発からのニュートリノ観測という大偉業を成し遂げたカミオカンデ。16万光年離れた超新星爆発からもたらされた千載一遇のチャンスをとらえたのは浜松ホトニクスの光電子増倍管です。 その技術は絶え間ない進化を続け、高性能化された現在のスーパーカミオカンデそしてハイパーカミオカンデ計画へと受け継がれていきます。

 

Keyman Interview

高エネルギー物理分野への進出
開発当時の営業を担当
浜松ホトニクス 顧問 袴田敏一

 

ニュートリノとは?

原子と素粒子

原子と素粒子

クォークとレプトン

クォークとレプトン

物質を構成する最小の粒子を素粒子といいます。 現在確認されている素粒子は、陽子や中性子を構成するクォークと、電子の仲間であるレプトンに分類され、どちらも6種類あることが分かっています。レプトンの中で3種類は電荷がなく、これをニュートリノと言います。ニュートリノは宇宙で光の次に多く飛び交い、 太陽など星の中心で起こる核融合反応や、 重い星の最期に起こる超新星爆発、 宇宙線が飛び込む地球の大気、原子炉や地球の内部から発生しています。どんな物質も透過する性質を持ち、今この瞬間にも私たちの体の内部にも降り注いでいます。

 

13秒間で11個のニュートリノを検出

底部から魚眼レンズで撮影した、カミオカンデ検出器 [画像提供:東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設]

底部から魚眼レンズで撮影した、カミオカンデ検出器 [画像提供:東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設]

1987年2月23日の7時35分35秒(世界標準時)から約13秒間に、カミオカンデは大マゼラン星雲の超新星爆発で生じた1058個のニュートリノのうち11個を検出しました。それは16万年前に超新星爆発で生じたニュートリノでした。 地球を通過した時間確率は

カミオカンデはこれほどのわずかなチャンスを捉えたことになります。宇宙ニュートリノ観測の業績により、カミオカンデを構想し、当時の実験の指揮をとっていた小柴昌俊東大名誉教授は、2002年にノーベル物理学賞を受賞されました。

 

スーパーカミオカンデのタンクに満たされた超純水量:50,000トン(ton)

スーパーカミオカンデ概念図[画像提供:東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設]
スーパーカミオカンデ概念図[画像提供:東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設]

 

スーパーカミオカンデは、カミオカンデの性能を20倍にアップさせようという計画で、カミオカンデから約300m離れた神岡鉱山の地下約1000mに建設されました。直径39.2m、高さ41.4mの巨大水槽は、カミオカンデの約16倍にあたる5万トンもの超純水で満たされることとなりました。実験の目的は、太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ、人工ニュートリノなどの観測を通じて、ニュートリノの性質の全容を解明することと、陽子の寿命を解明することです。

 

スーパーカミオカンデに設置された20インチ径光電子増倍管の数:11,200本

20インチ径光電子増倍管

20インチ径光電子増倍管

スーパーカミオカンデの内水槽には内向きに光電子増倍管と呼ばれる光センサーが、約11,200本取り付けられています。水中を走った荷電粒子から発するチェレンコフ光をこの光センサーでとらえます。チェレンコフ光からの光量と光をとらえた時間という2つの情報から、荷電粒子のエネルギーや方向を決定します。この光電子増倍管は光を受ける光電面の直径が約50センチメートル(20インチ)もあり、世界最大のものです。

 

関連ページ:

20インチ光電子増倍管開発ストーリー

 

ハイパーカミオカンデの水チェレンコフ検出器水槽の容量:100万トン

ハイパーカミオカンデ 概念図
ハイパーカミオカンデ 概念図

 

ハイパーカミオカンデは、スーパーカミオカンデの約20倍、100万トンの総体積をもつ検出器で、 世界最高精度でのニュートリノ振動実験や、最高感度での陽子崩壊実験を行うほか、太陽や宇宙からのニュートリノを用いた研究も行い、素粒子や宇宙の謎の解明を目指します。空洞体積100万立方米+アルファを収容できる岩盤を見つけることができないので,空洞を2分割し、連設空洞として掘削する予定です。

 

ハイパーカミオカンデの光センサ数:99,000+25,000本

ハイパーカミオカンデ タンク断面図
ハイパーカミオカンデ タンク断面図
内水槽に20インチ光検出器が99000本(Super-Kの9倍)
外水槽に8インチ光検出器が25000本(Super-Kの13倍)

 

20インチ新型光センサ 99,000本+8インチ光電子増倍管 25,000本。ハイパーカミオカンデは約10万本の大口径光検出器が必要となるため、既存の光電子増倍管(PMT)よりも量産に向いた光検出器の開発が望まれていました。そのため電子管技術と光半導体素子技術を融合させそれぞれの特長を生かしたハイブリッド型光検出器(HPD)を半球状の大口径にする開発に取り組んでいます。

 

ハイパーカミオカンデ計画で観測可能な陽子崩壊寿命年数:1035

陽子が陽電子とパイ0中間子に崩壊する様子
陽子が陽電子とパイ0中間子に崩壊する様子

 

陽子崩壊とは、物質に働く4種類の力のうち、3つの力(電磁気力、弱い力、強い力)を統一的に 説明する大統一理論は、未来永劫に安定であると信じられてていた陽子 (水素原子の原子核)が崩壊して他のより軽い粒子になってしまうことがあると 予言しています。つまり、陽子崩壊をもし発見できれば、大統一理論が正しいという証拠になります。 スーパーカミオカンデは、陽子崩壊を探索している世界最大の実験装置です。

 

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