超大型水チェレンコフ観測装置で挑戦する
素粒子の統一理論と宇宙の進化史の謎

ハ イ パーカミオ カ ンデ

「素 粒子 」と「 宇宙 」を地下 から見上げる

超高感度・高解像度光センサー

ハイパーカミオカンデは、現行のスーパーカミオカンデを凌の発見やニュートリノの CP 対称性の破れ（ニュートリノ・反感度・分解能・安全性を従来の２倍に向上させ、駕する巨大水タンクとそのタンクの中に並べる超高感度光ニュートリノの性質の違い）の発見、超新星爆発ニュートリ世界最大の高感度光センサーを開発しました。

センサーからなります。この実験装置は、素粒子を観察するノの観測などを通して、素粒子の統一理論や宇宙の進化史の「顕微鏡」であると同時に、飛来するニュートリノを用いて解明を目指します。国際研究プロジェクトとして世界の研太陽や超新星爆発を見る「望遠鏡」でもあります。陽子崩壊究者が協力し、2027年の実験開始を目指しています。

国際協力の元、より時間精度を高めた光センサーを複数個組み合わせて詳細なイメージングを可能にする「複眼」光センサーも開発しています。
併用することで、検出精度向上が期待されます。

高感度光電子増倍管（左）と高解像度複眼光© 浜松ホトニクス株式会社 センサー（上）地下空洞掘削中！
検出器 は 岐阜県飛騨市神岡町 の 地下600m に 設置 さ れ ま す。
2021年５月からトンネルの掘削を開始、2023年4月現在は検出器上部のドーム部分の掘削を行っています。その後検出器円筒部の掘削を行ないます。
ドームと円筒部を合わせると直径69m 高さ94ｍの大空洞となり、地下の人工空洞とし超大型地下タンクては世界最大規模となります。

スーパーカミオカンデの 100 年分のデータがハイパーカミオカンデでは約 10 年で得られることになります。そのため、これまで見えな実験原理かった素粒子のまれな現象や、対称性のわずかハイパーカミオカンデでは、検出器に入ってきたニュートリノな破れの測定が可能になります。と水が衝突した時にはじき出される荷電粒子が放つ光（チェレンコフ光とよびます）を、壁に取り付けられた光センサーで捉えます。得られる光の量やリングの形から、ニュートリノのエネルギー、方向、種類などを決定します。

有効体積 10 倍

チェレンコフ光100 年分のデータが約10 年で！

ニュートリノ
水中の荷電粒子

5 万トン

光センサー

26 万トンNIKKEN SEKKEI

スーパーカミオカンデ

ハイパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデ装置による素粒子ニュートリノの変身も確認されました。全ての振動モードが確認された今、ニュートで発生するチェレンコフ光を捉えます。

（ニュートリノ振動と呼びます）の1998年の発見は、2015年

リノ研究はさらなる発見を目指し次のステージへ進みます。

ハイパーカミオカンデ実験の実現により、今後も世界のニューのノーベル物理学賞の受賞対象となる研究成果となりました。

ハイパーカミオカンデ実験では、これまで日本で培った高いニュートリノ研究をリードしていきます。

この発見が突破口となり、素粒子理論の見直しをせまるニュートリノ実験技術をもとにさらに実験感度を向上させます。検出トリノの性質が次々に明らかにされてきました。2001年の太器の本体は、直径68ｍ、深さ71ｍの円筒形のタンクに超純水をハイパーカミオカンデ国際共同実験グループ

陽ニュートリノ振動の発見に続き、2011年には大強度加速器満たしたものです。タンクの体積は26万トン、有効体積は19万

J-PARC で作られたニュートリノビームとスーパーカミオカントンでスーパーカミオカンデの10倍になります。タンクの壁にMail : hk-public@km.icrr.u-tokyo.ac.jp

デを用いた T2K 実験により、３つ目のニュートリノ振動モードは大型の超高感度光センサーが約40,000本取り付けられ、水中ニュートリノ研究はさらなる飛躍 を目指し次のステージへ

URL : http://www.hyper-k.org/

2023.04

宇宙と素粒子の誕生と進化、そして未来まで現在の衝突型加速器実験で到達 できる領域
16

核子崩壊 ・ ニュートリノ実験で到達できる領域

10 GeV

もともと宇宙創成の瞬間は、現インフレーション在知られている強い力、弱い力、電磁大統一理論

気力、重力の４つの力が統一されてお宇宙のバリオン数生成

102GeV

1MeV

1keV

10-3eV

0.3eV

暗黒物質残存電磁気力弱い力強い力
重力ニュートリノ質量
超対称性理論混合／ CP 破れの起源

り、宇宙の進化とともに宇宙の温度が下がり力が分化していったと考えられています。宇宙年齢にして10-38秒後、エネルギーにして10 GeV の世界を支配する大16

エネルギー

2×10-4eV

宇宙の終焉？
恒星のエネルギー放出

超新星爆発より宇宙の重元素生成

人類

10 -38 秒
軽元素合成

統一理論は、そのエネルギーの高さから衝突型加速器実験で到10達することは不可能である一方、ハイパーカミオカンデでは陽-10秒

子崩壊を探索することにより、直接大統一理論を検証すること

10 -5 秒

重元素合成

人類誕生

核子が崩壊

138 億年

1035 年©ESA and the Planck Collaboration

100 秒

38 万年

10 億年

宇宙の年齢ができます。もし陽子が壊れることになれば、我々人類も含む宇宙の万物が寿命を持ち、いつかは壊れてしまうことを意味します。

超大型水チェレンコフ観測装置が可能にする 宇 宙 進 化 の 謎 の 解 明 と 大 統 一 理 論 の 検 証

さらにニュートリノの CP 対称性の破れなどの性質解明に加え、宇宙の重い元素の生成場所である超新星爆発や太陽から飛んでくるニュートリノの観測を通して、生命誕生にも関係する宇宙の進化の謎に迫ります。

ニュートリノとニュートリノ振動

CP 対称性の破れの測定

ニュートリノ質量の順番の決定

J-PARC 加速器施設との連携
大気や太陽から飛んでくる自然ニュートリノに加え、茨城県東海村の J-PARC 加速器による大強度・高品質ニュートリノビームを用いて、ニュートリノの CP 対称性の破れの発見を始めとする加速器ニュートリノビームと反ニュートリノビームの振動を観

これまでのニュートリノ振動の観測から、３つのニュートリノ測することにより、ニュートリノの CP 対称性の破れ（粒子と反質量の差の大きさは測定されました。しかし、太陽ニュートリノ粒子の違い）の測定をします。

を構成する２つのニュートリノ質量が3つ目の質量より重いのか、わせて、現行 T2K 実験の30倍の数のニュートリノの観測を見込

今の宇宙は我々人間や星なども含む「物質」に満ちあふれ、「反軽いのかはまだわかっていません。このニュートリノの質量のんでいます物質」は見当たりません。この物質と反物質のアンバランスは、順番を決定することは、CP 対称性の破れの測定の精度を高め、ニュートリノの CP 対称性の破れが種になっているとする有力

ニュートリノが粒子と反粒子の区別がないマヨラナ粒子かどうな仮説があり、その謎にせまります。

かを明らかにするための手がかりにもなる大事な研究課題となっています。

ニュートリノの精密研究を行います。ビームパワーの増強も合岐阜県飛騨市神岡町

宇宙を構成するすべての物質は、クォークとレプトンという素ハイパーカミオカンデ粒子の仲間から形成されています。例えばクォーク３つからできる陽子１つと、レプトンの仲間である電子１つを組み合わせ茨城県那珂郡東海村

J-PARC 加速器て水素原子が作られます。ニュートリノは電荷を持たないレプトンで、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュート

ニュート リノ振動
全容 解明

リノの３種類があります。
３種類のニュートリノは互いに混ざり合い、何百 km の距離をNIKKEN SEKKEI飛んでいる間に種類が変化したり戻ったりします。この現象をニュートリノ振動といいます。スーパーカミオカンデにより発見されたこの現象を詳しく調べることで、素粒子ニュートリノの性質を明らかにすることができます。
素粒子のしくみを説明する標準理論は、ヒッグス粒子の発見により完成したとされています。しかし、これまでわかったニュートリノの質量や混ざり具合は、なぜかクォークのそれらと比べ自然ニュートリノの精密観測

陽子が永久に安定して存在するのか、またはより軽い大気ニュートリノ、超新星爆発からのニュートリノな素粒子に壊れてしまうのか、は素粒子物理学の大きなどの自然ニュートリノを用いて、ニュートリノの性質問題の一つです。理由の一つには、素粒子やその間に働を調べると共に、太陽エネルギーが放出される仕組みや、く力を統一する大統一理論により陽子が壊れることがいます。ニュートリノ振動実験は、統一理論等、未解明の素粒子理論を解明する手がかりになると期待されています。
ミューニュートリノ©NASA

電子ニュートリノ

陽子崩壊の発見

太陽から来る太陽ニュートリノ、地球上の大気でできるて大きく異なり、素粒子の標準理論のほころびだと考えられてタウニュートリノ

資料（写真）
提供:JAEA/KEK J-PARCセンター

超新星爆発によって重予言されることがあげらい元素が作られた宇宙れます。我々は世界最高の歴史を明らかにしま感度の陽子崩壊実験装置す。人類存在の鍵となとなるハイパーカミオカ

る 素粒子 や 天体、宇宙ンデを用いて、世界初のの歴史に新たな知見を陽子崩壊の発見と新たなもたらすことが期待さ素粒子物理学の枠組みのれます。

開拓を目指します。

宇宙の起源と進化の謎の解明

大統一理論の検証

国際協力体制世界トップクラスの研究者が集まる国際研究拠点として、ハイパーカミオカンデ実験は2023年4月現在、アルメニア、オース
トラリア、ブラジル、カナダ、チェコ、フランス、ドイツ、インド、イタリア、日本、韓国、メキシコ、モロッコ、ポーランド、ロシア、スペイン、スウェーデン、スイス、イギリス、ウクライナ、アメリ
カの21ヶ国の研究者が力を合わせてその実現を目指しています。