97■研究紹介

長基線ニュートリノ振動実験 OPERA名古屋大学大学院理学研究科

中 村

光 廣，中 野敏 行，佐 藤修

他 OPERA 実験グループ
2007 年 9 月 5 日

1.

OPERA は，検出器の単位となる ECC の製造・検出器へ

はじめにの充填作業を継続中であるが，今年のビーム照射時には 400

OPERA（CERN/LNGS 実験番号 CNGS１）はニュートリノ振動で現れたタウニュートリノを検出し，ミューニュ

トン程度の標的を充填し，150 反応程度を ECC 中に記録する予定である（図 1）。

ートリノからタウニュートリノへの振動現象の有無，ひい

この小文では，OPERA 実験の現状を，実験の概要，要てはニュートリノ質量の有無に関して最終検証を行う長基である原子核乾板技術の現状，昨年のファーストビーム検線ニュートリノ振動実験である[1]。

出などを交えて報告する。

CERN の財政危機などで実験開始が遅れたが，昨年（2006年）8 月 CERN に新設された CNGS（CERN Neutrino to2.

Gran Saaso）ビームラインからファーストニュートリノビ
ーム が 打 出 さ れ ， 730 km 離 れ た Gran Sasso 研究所の

OPERA 実験小史

OPERA が狙うのはミューニュートリノからタウニュー

OPERA 検出器で検出に成功した[2]。このことにより，ニトリノへの振動であるが，この振動モードを原子核乾板でュートリノ製造装置が期待通りに動作していることと，狙うのは実はこれが三度目である。

OPERA 検出器の動作が確認されたが，さらに照射を継続

第一回目は，1971 年の丹生らによる宇宙線反応中での Xしようとした同年 10 月，CNGS のリフレクターの水漏れに粒子（今のチャーム粒子）の発見[3]を契機に展開された原より，2006 年の照射はあっけなく終了した。

子核乾板を用いた一連の実験の中で，初の原子核乾板−カ2007 年 9 月現在リフレクターの修理は進行中であり，9ウンターハイブリッド実験となった Fermilab E531 におい

月 17 日からの再 commissioning に向けて作業が進んでいる。

てなされた[4]。この実験の主目的は，ニュートリノ荷電カ

今年の RUN は 9 月 17 日からの 3 週間がマシンスタディ，

レント反応で生成されるチャーム粒子の検出と寿命測定でそのあと 3 週間の physics run が予定されており，いよいよあった。原子核乾板の持つサブミクロンの三次元的な位置

OPERA のエマルション解析が本格化する。

分解能を駆使して，1mm に満たない飛跡しか残さないサブ
ピコ秒からピコ秒の寿命を持つチャーム粒子研究の副産物としてタウニュートリノの荷電カレント反応の探索が行われた。3886 反応を探索し，タウニュートリノ候補は 0 で振動の上限を与えた。この実験で求められたミューニュート
リノからタウニュートリノへの振動の上限値は当時の最良感度のものとなった。ちなみに論文のとりまとめは当時

Fermilab におられた近藤敬比古先生がされたと記憶している。

1990 年代に入って，ニュートリノが宇宙の暗黒物質候補として着目された。宇宙論的に期待された質量は数 eV〜数
十 eV であり，クォークセクターとの比較から第三世代のタ
ウニュートリノがもっとも重いと考えられたが，直接測定
図 1 OPERA 検出器
現在，ECC 標的を充填中である。写真の黒い部分が原子核乾板−シンチストリップの複合標的となっている。

で量ることは出来ない値であり，ニュートリノ振動現象を用いることが提案され，最良感度を出していた原子核乾板を用いた実験が注目され立案されたのが短基線ニュートリ

98ノ振動実験 CHORUS である。この実験では，われわれが開発してきた原子核乾板自動飛跡読取装置をはじめて実戦投入し，約 17 万反応を解析してタウニュートリノ反応は 0との結果を得た[5]。
ほ ぼ 平 行 し て 行 っ た ビ ー ム ダ ン プ 実 験 DONUT（Fermilab E872）は， 800GeV 陽子をタングステンにダンプし，その反応により発生したプロンプトニュートリノビ
ーム（タウニュートリノをはじめから 5% 程度含む）を用
いて，原子核乾板を用いた検出器が確かにタウニュートリノを検出する能力を持つことを示すために行った実験で，1998 年の高山のニュートリノ会議で最初のタウニュートリノ反応一例を示すことが出来たが，同じ会議で示された

Super Kamiokande の大気ニュートリノのクリアーな結果とその解釈（ミューニュートリノからタウニュートリノへの振動によるミューニュートリノ欠損）は，CHORUS で同じモードを狙っていた者にとって，予期はしていたが十分
ショッキングなものとなった[6,7,8]。しかしながら，その仮

図 2 DONUT の ντ event の一つ（Event 3024_18706）
崩 壊 ま で の 飛 程 は 1.67 mm で ， 娘 粒 子 の 親 に 対 す る 角 度 は

14 mrad 。 こ の と き の 娘 粒 子 の ニ ュ ー ト リ ノ 反 応 点 に 対 す る説を明快に実証できるのはタウニュートリノのアピアラン

impact parameter は 23 μm 。また崩壊の娘は ECC 内でシャワーをス検出以外になく，その実験の実現は DONUT で実証され起こし電子と同定された。その運動量は ECC 内での多重散乱測定

た原子核乾板でのみ可能であった。

+0.39
により > 25+−28
9 GeV/c ，崩壊の横運動量は > 0.35−0.12 GeV/c と測定されている。また他に反応点から出ているレプトンがないことか3.

OPERA を可能にしている技術

らタウニュートリノ反応と同定されている。

OPERA を可能としている技術は原子核乾板本体に関するも

OPERA フィルムの開発に当っては，約 50 年間大きな改のと，原子核乾板の自動飛跡読み出し装置に関するものの二良が加えられてこなかった原子核乳剤に最新の乳剤製造技

つである。

術を導入することにより，いくつかの改良・改造を行った。

OPERA フィルム：新型原子核乾板とリフレッシュ

その一つが，リフレッシュ機能と呼ばれる既に写っている
飛跡を消去する機能の実現である。これは，実験の準備期

OPERA が必要とした標的重量は 1000 トンのオーダーで間が長期にわたることから，その間に蓄積する邪魔な飛跡あり，この標的質量をどうやって実現するかが一つの鍵でを何とか消せないかというわれわれ物理屋の要求に富士フあった。検出器の構造は図 2 に示したような，ECC というィルムの研究者が応えようとした結果，編み出されたもの

構造をとればよいことは DONUT 実験での結果から明らかである。

であったが，標的物質に鉛のような重いものを用いてもな
お，フィルムの面積にして 9 万平米以上，原子核乳剤の重量にして 16 トン以上が必要であり，立案時点で最大規模であった CHORUS のそれぞれ 160 倍以上，10 倍以上に相当した。それまでは富士フィルムが製造した原子核乳剤をわれわれが大学や研究室の暗室でプラスチックフィルムなど

OPERA フィルムを温度 25°C ∼ 30°C ，湿度 95% 以上の環境に 3 日以上おくことにより，それまでに記録された最小電離粒子の飛跡の 98 % 以上が消去でき，製造直後のまっさらな状態にほぼ戻すことが出来る。またこのことによる荷電粒子記録性能の劣化はほとんど見られない（図 3）。

に塗布しフィルムとしていたが，このような方法を今回必

この一度写った画像を消去するという要求は，富士フィ

要な量の生産に用いるのは無理があった。富士写真フィル

ルムが写真フィルム開発に当たって課してきた要求，一度ムとの共同研究の結果，市販の写真フィルムの製造機械を写したものは決して劣化させないという方向とはまったく用いて製造できる原子核乾板（以下 OPERA フィルムと呼逆のもので，富士の研究者たちはその要求に戸惑ったあげぶ）を実現できたのは 2000 年７月のことであった。このく，過去の失敗例をはじめとするあらゆるマイナス方向の

OPERA フィルムは大量生産技術の恩恵をうけ従来以上に経験を社内からかき集めその解析を行ったと聞いている。

質のそろったものとなっており，あとで述べる自動飛跡読

大量生産する乳剤の型を決定する寸前まで開発は続けられ，取装置の高速化に貢献することにもなっている。この開発一時はこの機能の付加をあきらめかけたが，ある種類の薬により，OPERA 実験の実現が保証され，プロポーザルは品で制御が可能であることが突き止められ，この機能は実受諾された。

現された[9]。

99

リフレッシュ前
B.G. > 30tracks / mm

リフレッシュ後
2

B.G. < 1tracks / mm2

図 3 リフレッシュの効果
リフレッシュ条件

25°C

相対湿度 98 %3 日間

リフレッシュする場所として，実験現場であるグランサ
ッソー研究所が最適であるが，欧州の共同研究者は，その図 4

作業量の多さと煩雑さに，だれも手を挙げなかった。また，

リフレッシュファシリィティに並ぶリフレッシュチェンバー（東濃鉱山第二計測坑道）

われわれも労働観の異なるイタリア人の現地労働者を使っチェンバーを格納する建屋は，農業用ビニールハウスを流用してこの作業をやりきれるという確信を持つことが出来ず，たもので，フィルムに害を与えないビニールと断熱材で内装され次善の策である日本でリフレッシュする方式を選ぶことにている。

した。それでは輸送中に宇宙線を蓄積して元も子もないではないか，と思われるかもしれないが，実験の単位となるフィルムをセットで真空パックし，フィルムどうしの輸送時の位置関係をミクロン精度で保つことにより，輸送時と実験時のアラインメントの違いを使って，輸送時に写った宇宙線の飛跡と，実験時の鉛をはさんで写った飛跡の区別をつけることが出来，データ上で輸送時の宇宙線は消去できる。このバーチャルリフレッシュと呼ばれる方法を開発することにより，確信を持って日本でのリフレッシュを行うことが可能となった。

OPERA フィルムは，障子のような形をしたトレイに展開してチェンバーに入れる。このトレイは，OPERA フィ
ルムが直接接触することから，障子紙の代わりに，透湿・通気性に優れたポリエステルの不織布を，桟は木ではなく写真フィルムなどのパトローネに使われているプラスチッ
クを使用するなど，フィルムの特性に害を与えない物質を選択して使用している。一つのチェンバーには計 880 枚のトレイ（フィルム 9 枚/トレイ）を充填，最大約 8000 枚のフィルムのリフレッシュを行うことが出来るように設計した。

リフレッシュを行う施設は，リフレッシュ中の宇宙線蓄積を避けるために地下に設ける必要があった。JR 中央線の廃トンネルの利用なども検討したが，名古屋からの交通の便もよく，地下へのアクセスも優れた岐阜県土岐市にある
核燃料サイクル機構（現日本原子力開発研究機構）の所有する東濃鉱山内に設置することになった。

富士フィルムにおける OPERA フィルムの製造は 2003
年 5 月から始まり，フィルムのリフレッシュは 2003 年 12月から開始した。リフレッシュはテスト的に少量の処理を行ってみて，問題がないことを確かめ，その結果大丈夫であろうと 8000 枚規模の大量処理に移って早々，大量処理をしたフィルムの感度が出ないという血の気の引く事態に遭

東濃鉱山の立坑の深さ 45 m と 95 m にある奥行き 20 m

遇した。大量処理を止め，雇う予定であったアルバイトさの二つの計測用坑道にリフレッシュ施設を設置した。神岡んに事情を話して問題解決まで待ってもらうことにし，原や大塔と違い，施設へのアクセスは立坑をエレベーター（あ因究明に専念した。正直なところ，いまだメカニズムの全

るいは非常時はしご）で上下して行う。農業用ビニールハ

解明は出来ていないのだが，現象的にフィルム自身が出すウスを流用して地下の坑道内に建設した建屋には，リフレ

何らかの微量なガスによる自家中毒であろうとめぼしをつッシュ環境（温度 25°C ∼ 30°C ，湿度 95% 以上）に OPERAけ，加湿開始後約一日間チェンバーを密閉せずに，このガフィルムをキープするためのリフレッシュチェンバー計 26

スを追い出すという対処療法（開放加湿）を考案，これが台を設置した（図 4）。水をどんどん吸収するゼラチン質の確かに効くということを諸テストで確認し，急遽装置を改

フィルムに湿気を供給し続けるために，市販の環境箱では造，問題発生から約三ヶ月で大量生産を再開することが出

加湿・空気循環能力がまったく足りず，加湿器，チェンバ来た。この現象は，単純な物理屋にはまったく不可解な現

ー本体はわれわれ自身が開発・製造したオリジナルのもの

象で，一度劣化したものでも，開放加湿すると感度が元にとなっている。

戻るという性質があることもわかり，ダメにしたと思われ

100
たフィルムも再生可能となり，ひいた血の気がようやく戻ある。その後 DONUT のために開発された UTS を経て，ったのは，グランサッソーへ最初のフィルムを出荷した同

OPERA のために開発された SUTS が最新版となっている

年の 12 月ごろであった。その後今年（2007 年）5 月の最終

（図 6）[11]。

出荷まで，13 回に分けて総計 930 万枚のリフレッシュされたフィルムをグランサッソーへ送り出すことが出来た。フィルムのトレイへの展開は，多治見・土岐で募集したアルバイト（8 名/日）により，完全な手仕事で行った。アルバ
イトの人の習熟・熟達はすごいもので，個人差はあるが作業開始後一ヶ月もすると当初予定した処理量の約 1.5 倍の量をこなせるようになり，チェンバーの数が足りないぐらいとなったが，残念ながら地下のスペースは限られていた。
リフレッシュ作業は，研究者・院生のシフトも含め総計約4000 人日の仕事となった。
送り出したフィルムを，ドイツで製造され運ばれてくる
日産約 4 万枚の鉛板とサンドイッチにして ECC に組み立て

Scanning Power Roadmap

ｃm２/ｈ

700

1000
40

100

60 140

7.0
10
1

1
0.1

1.2

0.1
0.03

0.01 0.003
0.001

UTS(1998)
SUTS(2007-)
TS(1994)
NTS(1996)
SUTS(2006)

る作業は，現在 Gran Sasso の地下で進行中である（鉛に関しても，いろいろと訳のわからない現象があり，その解明に時間をとられたのだが，これはまたの機会に）。
ちなみに一個の ECC は OPERA フィルム 57 枚と鉛板 56枚からなり，重さは 8.3 kg ，サイズは 10 cm × 13 cm × 8 cm 程

図 5 原子核乾板自動飛跡読み出し装置の読み出し速度の変遷
各年度ヒストグラムで左のものは装置単体での速度，右は名古屋大学全体での能力。

度の手で運べるコンパクトなものである。LAr の検出器などとは異なり，コンパクトにモジュール化されていることから，設置場所を選ばずに実験を行える。この機動性を生かして，MINOS の前置検出器と組んで，OPERA の予行演
習実験 PEANUT を Fermilab で行っている。
さてイタリアの担当するこの ECC 製造部分はロボットによる全自動であるが，稼動後 1 年を過ぎても設計値の速度には到達できず，目標達成のためにマルチシフト体制を組み多くのシフト要員を動員して製造を行っている。2007
年秋の照射は，標的の充填を継続しながら 400 トン強の標的質量で走る予定である。

SUTS：原子核乾板自動飛跡読取装置
OPERA を可能にしているもう一つの要素は，丹羽が1972 年に原理提案し，われわれが世界に先駆けて開発してきた原子核乾板の自動飛跡読取装置（TS：Track Selector）
である[10]。
現像後の荷電粒子の飛跡は，サブミクロンサイズの銀粒
子の三次元的な連なりとして，フィルムの乳剤層中に立体的に記録されている。TS はこの乳剤層を深さ数ミクロンごとの断層映像に切り分け，深さの違う画像間の相関解析か
ら，飛跡の有無を認識し，認識された飛跡の位置，傾き，濃度などを基本情報として出力する装置である。

TS の開発は，1970 年代から続けてきたが，実戦投入は先に述べた CHORUS 実験における NTS（図 5）が最初で

図 6 最新版 SUTS の全体像
50 ∼ 100 Hz の振動をする顕微鏡対物部の反動をキャンセルす
るように，重いアームで支えている。

最新版の SUTS は，DONUT 解析に用いられた UTS に比べて二桁速い読み出し速度を持っており，UTS では読み出
し に 4 日 も か か っ て い た OPERA フ ィ ル ム（ 10 cm × 12.5 cm ）を，1.5 時間で読み出すことが出来る。

SUTS のこの桁違いの高速性は，UTS において存在していたボトルネックの改善・解消により実現されている。
一つは，画像取り込みのボトルネックの改善である。UTSでは 1 秒当たり 120 フレームのカメラを使用していたが，SUTS では高速カメラを用いて 1 秒あたり 3000 フレームの画像を取り込むことが出来る。

101
二つ目は，顕微鏡ステージの動作に関するボトルネック

多重散乱による運動量測定や，電磁成分の解析においてよの解消である。UTS では，ステージの位置をフィルムの読

りよい情報を引き出すことが出来るはずである。

み出したい場所へ移動させ，完全に停止した後に深さ方向4.

の画像を取り込んでいたが，ステージの機械的な特性から，

2006 年のファーストニュートリノ

完全に停止するまでにどうしても時間がかかり，無駄があ2006 年 8 月 18 日，CNGS ニュートリノビームラインかった。SUTS では，ステージは停止せず，一定速度で動く

らファーストニュートリノがグランサッソーに向けて放たステージにのったフィルムを，顕微鏡対物レンズが追いかれた。このとき OPERA 検出器がとらえたイベントの例をけて深さ別の情報を連続して取り込むという，追尾撮影方

以下に示す。

式を採用している。このメカニズムはコンパクトなピエゾ

図 7 は，CERN からのニュートリノが検出器前方の物質素子と平行板ばねに取り付けられた 10 g 級の軽い対物レン

中で反応を起こして出てきた，通称ロックミューオンと呼ズで構成されており，重いステージを加減速するというス

んでいるイベントの典型的なものである。

テージ駆動のボトルネックはほぼ解消されている。

SUTS が吐き出す画像データ量は膨大であり，名古屋大

図 8 は，OPERA 検出器のミューオンスペクトロメータ
ーで起きたニュートリノ反応の一例である。

学で予定している 5 システムがフル稼働すると，Belle 実験
ければならないことになる。

horizontal projection
X (cm)に匹敵する，毎秒数十 Mbytes のデーターフローを制御しな

Event Number 709821

400
300
200

OPERA はこのような高速の自動飛跡読取装置の実現を1000前提に設計した実験である。ニュートリノ反応を原子核乾-100

板標的中で同定するために，先の CHORUS や DONUT で

-200
-300

は 1mm よりよい位置分解能を持つ支援カウンターが必要

-400
-800

であった。飛跡読み取り能力の向上により，これをコストで数 m 角サイズの支援カウンターを実現，ひいては

-400

-200

0

200

400

600

800

1000
Z (cm)

400

600

800

1000
Z (cm)

Vertical projection
Y (cm)

1 ∼ 10 cm 精度のものでも OK とすることにより，合理的な

-600

400
300
200

標的重量 1000 トンクラスへの規模拡大が可能となった。

100

OPERA の支援カウンター（TT：Target Tracker）は，MINOS

0-100と同様の波長変換ファイバー読み出しの幅 2.4 cm のシンチ

-200
-300

レーティングストリップカウンターである。

-400
-500

反応ごとの TT のヒットパターンから，反応の起こった-800

ECC を推定し，それを即日取り出す。ECC には最下流に単独で取り外しが可能な CS（Changeable Sheet）という特

-600

-400

-200

0

200

図 7 通称ロックミューオンイベントの一例
上は検出器を真上から見た図，下は検出器を横から見た図。

殊なフィルムがつけてあり，これを取り外し地下で現像，SUTS で読み出して確かにそれが反応の起こったブリック

horizontal projection
X (cm)

であるかどうかを判定し，当たりであれば ECC を現像して，Event Number 119110

400
300

CS でピックアップされた飛跡を反応点まで追い上げニュ

200

ートリノ反応を同定する（scan back という）。CS は ECC

100のフィルムよりさらに低バックグラウンドであることが要

-100

0

-200

求されるため，グランサッソーの地下に東濃と同様のリフ-300

レッシュチェンバーを備えたミニリフレッシュ施設を設け

-400
-800

て，地下でリフレッシュを行い，さらに 2 枚のフィルムのたり 1 本以下に下げている。

-400

-200

0

200

400

600

800

1000
Z (cm)

400

600

800

1000
Z (cm)

Vertical projection
Y (cm)

コインシデンスをとることで，バックグラウンドを CS 当

-600

400
300
200

ロケーションされた後のニュートリノ反応の解析，崩壊の探索は基本的に DONUT に同じであり，物質として鉄の

100
0
-100
-200

代わりに鉛を用いていること，リフレッシュをかけたバッ
クグラウンドの少ないフィルムを用いることから原理的に

-300
-400
-500
-800

-600

-400

-200

0

200

102
図 8 OPERA 検出器中で起こった μ ニュートリノの荷電カレント反応の一例
これらが CERN からやってきたニュートリノによるもの

なかった事象はいずれも CS のエッジに近いが，CS と CSであることは，タイミングと飛来方向の解析で確認した。

ら，フィルムのエッジ近くの性能に関して現在調査中であまずタイミングに関しては，図 9 に示すように，トリガーされたイベントが，CNGS のニュートリノ生成タイミン
グと一致していることが確認された。
50 ms
Ext1

Ext2

つかったが，8 事象では確認できなかった。この確認できの間にすべて入り込んだと考えるには多少多すぎることかる。
また 10 月の RUN では，少量ながら ECC 標的が充填されており，短い照射ではあったが 1 本のロックミューオン

Zoom on the spill peaks

が ECC・CS を貫いた。このロックミューオンの飛跡は CS
ならびに ECC でユニークに同定され，ECC 中の多重散乱10 μsによる測定で運動量が 6.4 +−1.2
0.9 GeV/c ，後方の磁場を用いた
ミューオンスペクトロメーターで 7.05 ± 0.4 GeV/c とコン

Cosmic rays
background
events

システントな値を得，運動量測定に関して予定した方法が機能していることを確認した。

Δt first extraction (ns)Δt closest extraction (ns)

図 9 記録された反応の起こったタイミング
CNGS には一つのサイクル（約 6 秒）の中に 50 ミリ秒離れ 10.5
マイクロ秒継続する二つのビーム引き出しがあり，それと一致す
る。

5.

展望

CNGS の通常のランでは年間 4.5 × 1019 P.O.T.（Proton On
Target）が予定されており，OPERA 検出器では千トン当たり，年間 3600 ν 反応（NC+CC），目的とする ντ 荷電カ

また TT でのトラッキングにより再構成された飛跡の飛レント反応は 16 反応（ sin2 2θ = 1 , Δm 2 = 2.5 × 10−3 eV2 の来方向分布（図 10）では，CERN の方向を明確に知ることとき）が期待される。 実際に観測される ντ 反応の数は，が出来る（CNGS のビームはタウニュートリノのアピアラ

これに各種効率ならびに S/N をあげるためのカットをかけンス実験を保証するために十分高エネルギーのビームとなたものとなり，プロポーザル時点ではこれらを 9% 程度とっている（平均 17 GeV ））。

見積もっている。現時点で充填を保証できている標的質量は 1280 トン程度であり，これから期待されるクリーンな ντ
反応は年間 1.8 反応程度である。
さて原子核乾板の解析にもどるが，これまでわれわれは

CHORUS や DONUT 実験で，その解析がプロポーザルを作る時点で考えていたものから大幅に改良されたものとなって初めて，質・量的に一段上の解析が可能となったことを経験してきている。いま手元に実現できた SUTS は，

OPERA のプロポーザルで想定していたものを数倍上回るものとなったが，現在さらに二桁上の 1m2/h のマシンの構
想が湧き上がっている。このマシンが実現できれば，

OPERA の解析は，ほとんどどんな反応でもロケーションが可能となると考えられ，タウニュートリノ反応の検出効
率は飛躍的に向上すると想像される。また OPERA のみな
図 10 観測された μ 粒子の飛来方向

らず，OPERA フィルムの開発を契機にはじまったより微（天頂角分布：水平が 0° ）

粒子の乳剤 NIT（Nano Imaging Tracker）を用いたダーク

ロックミューオンによって，中央に CERN がポイントソースとマターの反跳飛跡検出実験なども現実味を増すであろう

して見えている。 < −40° ならびに > 20° にある山は，宇宙線によ[12]。

るものである。

またロックミューオンならびに RUN 中に記録される宇宙線を使って，CS の解析のテストも行った。計 55 例の事
象を TT でピックアップし，対応する CS を取り出して探索を行った。結果は 47 事象で CS 上にユニークに飛跡が見

参考文献[1] M. Guler et al., CERN-SPSC-2000-028,
CERN-SPSC-P-318, LNGS-P25-00, Jul 2000.

103[2] R. Acquafredda et al., New J. Phys. 8, 303 (2006).
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