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素粒子の謎解明へハイパーカミオカンデ始動

掲載日:2015年2月4日

素粒子ニュートリノの巨大な検出器、ハイパーカミオカンデが2025年の実験開始を目標に動き始めた。その国際共同研究グループの旗揚げとなる結成記念シンポジウムが1月31日、千葉県柏市で開かれた。この計画は、日本で培われてきたニュートリノ実験技術を基に、現在のスーパーカミオカンデを20倍も上回る100万トンの巨大水槽の検出器を新たに建設し、「素粒子の統一理論」や「物質の起源と進化の謎」に挑戦する。野心的な試みである。

シンポジウムには、13カ国の代表者からなる国際代表者委員会や国際運営委員会を含むハイパーカミオカンデ国際共同研究グループのメンバー約250人のうち、約110人が参加した。東京大学宇宙線研究所(柏市)と高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所(茨城県つくば市)は、ハイパーカミオカンデ計画の具体化に向けて協力協定を結び、双方の所長による調印式も行った。

東京大学宇宙線研究所は、岐阜県飛騨市神岡町の旧神岡鉱山地下に設置した世界最大の水チェレンコフ型検出器「スーパーカミオカンデ」でニュートリノ研究を国内外の大学や研究機関と共同で推進してきた。また、高エネルギー加速器研究機構と共同で、295キロ東に離れた茨城県東海村のJ-PARC加速器で発射して飛来するニュートリノを捉えるT2K(ティーツーケイ)実験も進め、素粒子物理学に数々の貢献をしてきた。

振り返れば、始まりは小柴昌俊東京大学名誉教授(当時・教授)らが1983年に神岡鉱山の地下に設けた3000トンの水タンクだった。そのカミオカンデ装置で超新星爆発から飛来したニュートリノを初めて観測して、小柴昌俊名誉教授は2002年にノーベル物理学賞を受賞した。初代のカミオカンデ(1983年~96年に稼動)から、スーパー(96年から稼動)を経て、今度は3代目のハイパーを目指すことになった。

ハイパーカミオカンデ計画では、スーパーカミオカンデに代わる100万トン級大型水チェレンコフ検出器を建設し、引き続いてJ-PARCからの大強度ニュートリノビームもキャッチして、ニュートリノの質量や混合の全容の解明を目指す。特に、ニュートリノにおけるCP対称性(粒子・反粒子対称性)の破れと、素粒子の大統一理論に迫る陽子崩壊の世界初の発見が大きな目標となる。

幅48m、高さ54m、長さ247.5mの円筒形の巨大水槽を2本平行に並べて、100万トンもの水をたたえる。水槽の周りに約10万個の高感度センサーを配置して、ニュートリノ反応と陽子崩壊を検出する。センサーは半導体電子増幅素子などを内蔵し、従来の光電子増倍管より感度を50%高め、現在のスーパーカミオカンデに比べて20倍以上の検出能力を実現する。建設予算は3年前の概算で800億円。建設地は歴代のカミオカンデがあり、重力波望遠鏡が建設されている旧神岡鉱山地下を予定、2018年にトンネル工事を開始し、2020年から本格的に建設して2025年の稼動開始を目標にしている。

ハイパーカミオカンデプロジェクトリーダーの塩澤真人(しおざわ まさと)東京大学宇宙線研究所教授は「現場の地質を調査して、この概念設計なら、安定した地下空洞に巨大な水槽を建設できる見通しがついた。原型となる模型も作り、詳細設計と光センサーの開発などを進める。素粒子物理学を発展させるのに国際的にぜひ必要な装置だ。性能を保ちつつ、建設費を下げることに取り組み、この計画に多くの人々の支持を得たい」と話している。

東京大学宇宙線研究所と高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所は1月31日、ハイパーカミオカンデ計画の協力協定を交わした
写真1. 東京大学宇宙線研究所と高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所は1月31日、ハイパーカミオカンデ計画の協力協定を交わした
(提供:東京大学宇宙線研究所)

100万トンの水を地下にたたえるハイパーカミオカンデ検出器の概観
図. 100万トンの水を地下にたたえるハイパーカミオカンデ検出器の概観

ハイパーカミオカンデ用に開発中の2つの新型光センサー。左上は半導体電子増幅素子を内蔵したハイブリッド型光センサー、右上は高性能電子増倍電極構造を持つ光センサー、下はそれぞれの電子増幅部。
写真2. ハイパーカミオカンデ用に開発中の2つの新型光センサー。左上は半導体電子増幅素子を内蔵したハイブリッド型光センサー、右上は高性能電子増倍電極構造を持つ光センサー、下はそれぞれの電子増幅部。
(いずれも提供:ハイパーカミオカンデ国際共同研究グループ)
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