「ハイパーカミオカンデ計画」〜ニュートリノ研究の次なる挑戦〜
東京⼤学宇宙線研究所
塩澤真⼈
2021年7⽉17⽇
島附親⼦研修会
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宇宙はなにからできているのだろう︖
我々はどこから来て、どこに⾏くのだろう︖(image GETTY)

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宇宙の⼤きな問題

138億年前ビッグバン
宇宙のはじまり現在?
• 皆さんも存在しないはず（⽭盾）、なぜ︖

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塩澤眞⼈

•素粒⼦物理学（実験）が専⾨•神岡（岐⾩県⾶騨市）を拠点
1968.8 静岡県藤枝市出⾝ • クワガタ・カブト集め• プログラミング
藤枝東⾼等学校• ⼭岳部に所属、南アルプス3,000m峰を全制覇

京都⼤学理学部• アインシュタイン、湯川秀樹などがスター• 学⽣実験に熱中

東京⼤学⼤学院→助⼿• ニュートリノ振動の研究、ノーベル賞につながる発⾒を⽬の前で⾒てきた• 陽⼦の崩壊の研究で博⼠論⽂• 1999年より次期実験計画の設計、研究者集め、予算要求• 2020年に計画の正式開始

東京⼤学 助教授→准教授→教授（現在）4講演の内容1. 物質は何からできている︖
2. ニュートリノの実験⽅法
3. 素粒⼦と宇宙の⼤きな問題
4. ハイパーカミオカンデ計画
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講演の内容1. 物質は何からできている︖
2. ニュートリノの実験⽅法
3. 素粒⼦と宇宙の⼤きな問題
4. ハイパーカミオカンデ計画
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物質は何からできているか︖
その性質や役割を理解したい＝

物質の最⼩単位＝

素粒⼦（構成）ブロック7

素粒⼦︓物質を形作るブロック
⼈ 1m

ウィルス
10-8m

原⼦
10-10m
電⼦

原⼦核10-14m

⼀円⽟
10-2m

細胞
10-5m

10-15m
中性⼦

陽⼦

クォーク
ニュートリノ8ν

ニュートリノ︓電⼦から電気をとったもの...

つかまえにくい、ゆうれい粒⼦

地球を数万個（E〜1GeV）• 調べるのが難しく、その性質も役割も、まだよくわかっていない粒⼦• 3種類ある9ニュートリノはいろんな場所で⽣まれている
⼤気

太陽原⼦炉

地球超新星

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現代物理学のブロック︓まとめ• ブロックは２種類ある• クォーク• ニュートリノ・電⼦グループ• 全ての粒⼦には反粒⼦が存在する
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閑話
HiggsTan – ひっぐすたん
https://higgstan.com
素粒⼦物理学に関するイラストやマンガがおいてあるサイトです。

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講演の内容1. 物質は何からできている︖
2. ニュートリノの実験⽅法
3. 素粒⼦と宇宙の⼤きな問題
4. ハイパーカミオカンデ計画
13スーパーカミオカンデ実験
岐⾩県 ⾶騨市 神岡町

池の⼭~1,000メートル

スーパーカミオカンデ（地下）

⼊り⼝

トンネル
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スーパーカミオカンデ:

ゆうれい粒⼦ニュートリノを捕まえる装置

5万トン、40 メートル

1991~
地下空洞掘削1994~
⽔槽建設

1995~ 給⽔1996~ 運転15

ニュートリノのつかまえ⽅

ニュートリノが（まれに）⽔と衝突
すると、弱い光の輪ができる。これを光センサーでつかまえる。
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観測データ
直径50cm光センサー A/D converter Digital Data

提供︓浜松ホトニクス株式会社

Channel#Time(nsec)

Charge(pC)

1901.41.25

23856.2-5.20-

4880.1

14.2

5-

-

…
11146

…
988.9

…
0.8

•光のつぶ１つに •半導体素⼦•研究者が解析感度を持つ•⽇本の⾼い技術 アルゴリズムを開発•世界最⼤•⽇本の⾼い技術（浜松で⽣産）17

観測データ例（１）電⼦型ニュートリノと⽔の衝突による光写真提供 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設• 各光センサーの時間データ →光の発⽣点（ニュートリノ衝突点）がわかる• リングの⽅向→ニュートリノの⽅向• 光の量→ニュートリノのエネルギー• リングの形状→ニュートリノの種類

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観測データ例（１）電⼦型ニュートリノと⽔の衝突による光写真提供 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設• 各光センサーの時間データ →光の発⽣点（ニュートリノ衝突点）がわかる• リングの⽅向→ニュートリノの⽅向• 光の量→ニュートリノのエネルギー• リングの形状→ニュートリノの種類

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観測データ例（１）電⼦型ニュートリノと⽔の衝突による光写真提供 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設• 各光センサーの時間データ →光の発⽣点（ニュートリノ衝突点）がわかる• リングの⽅向→ニュートリノの⽅向• 光の量→ニュートリノのエネルギー• リングの形状→ニュートリノの種類

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観測データ例（２）ミュー型ニュートリノと⽔の衝突による光写真提供 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設• 各光センサーの時間データ →光の発⽣点（ニュートリノ衝突点）がわかる• リングの⽅向→ニュートリノの⽅向• 光の量→ニュートリノのエネルギー• リングの形状→ニュートリノの種類

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閑話

⼾塚洋⼆ ニュートリノ館（道の駅富⼠川楽座）

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講演の内容1. 物質は何からできている︖
2. ニュートリノの実験⽅法
3. 素粒⼦と宇宙の⼤きな問題
4. ハイパーカミオカンデ計画
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最初の発⾒:⼤気ニュートリノの振動（sin2θ23~1）•1998年、上向きのνμが半分しかない事を発⾒した。
•ニュートリノ振動の発⾒。
•ニュートリノの質量の発⾒。
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ニュートリノ振動

ミュー型ニュートリノがミュー型ニュートリノである確率

振動と質量の関係
ニュートリノの割合 [%]1. 質量がゼロでない場合→変化する νミューνミューνタウ

タウ型

質量

時間

エネルギー

ミュー型

時間×光速＝飛行距離[km]ニュートリノの割合 [%]2. 質量がゼロの場合（m=0）→変化しない
ミュー型
タウ型
時間×光速＝飛行距離[km]変化（振動）を観測→ニュートリノに質量がある証拠！

変化（振動）を観測→ニュートリノに質量がある証拠︕ 2527

1998年6⽉5⽇
ニューヨークタイムズ

2015年ノーベル物理学賞
梶⽥隆章 教授

受賞理由︓ニュートリノが質量を持つことを⽰す、
ニュートリノ振動の発⾒• 発⾒されたニュートリノの性質は不思議なものだった• ニュートリノの性質や役割の謎がさらに深まった26

さらなる問題•不思議な性質- 極端に軽い質量←電⼦の100万分の1

1,000,000 個
ニュートリノ
電⼦1個

以下- ３種類のニュートリノが理論で許されるほぼ最⼤の⼤きさで混じりあっている- 未知の法則が存在するはず•ニュートリノは素粒⼦（物質を形作るブロック）を理解する鍵- 全てのブロックをまとめて（統⼀的に）理解したい•ニュートリノが宇宙進化に決定的な役割を果たした可能性も出てきた

Copyright © Nobel Media AB 2015
Photo: Pi Frisk

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宇宙の⼤きな問題

138億年前ビッグバン
宇宙のはじまり現在
我々• 皆さんも存在しないはず（⽭盾）なぜ︖• ニュートリノの未知の性質が理解の鍵と期待28

CP対称性の破れ
振る舞いの違いから、どちらが粒⼦でどちらが反粒⼦か区別できる粒⼦と反粒⼦を⼊れ替える（同時に左右も⼊れ替わる）「CPの反転」をした時に「区別がつく」
例えると（厳密さは⽋いてます）

反転
https://www.subaru.jp「右ハンドル⾞と左ハンドル⾞で、⾞の性能が変わる」くらい、直感に反する事

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CP対称性の破れ
振る舞いの違いから、どちらが粒⼦でどちらが反粒⼦か区別できる粒⼦と反粒⼦を⼊れ替える（同時に左右も⼊れ替わる）「CPの反転」をした時に「区別がつく」

CP反転

ニュートリノと反ニュートリノの振動の振る舞い（変⾝する確率）が違うのなら「区別がつく」→ハイパーカミオカンデ（⼤型検出装置と⼤強度ビーム）が必要

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νは天体内部を⾒る”光”

X線（レントゲン）︓体の内部の様⼦を⾒る
ニュートリノ︓太陽中⼼部の核融合、超新星爆発内部やブラックホール誕⽣の瞬間→ハイパーカミオカンデでニュートリノ天⽂学を発展

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もっと勉強したい⽅へ
宇宙創成はじめの三分間
S.ワインバーグ,
ダイヤモンド社

⼾塚教授の「科学⼊⾨」
E=mc2 は美しい!
⼾塚 洋⼆, 講談社

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講演の内容1. 物質は何からできている︖
2. ニュートリノの実験⽅法
3. 素粒⼦と宇宙の⼤きな問題
4. ハイパーカミオカンデ計画
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概要︓ハイパーカミオカンデ計画
⼤強度陽⼦加速器
J-PARC（⾼エネ機構が中⼼）(c) Hyper-Kamiokande Collaboration

ハイパーカミオカンデ（東京⼤学が中⼼）© J-PARCセンター● ⽇本をホスト国とする国際協⼒科学事業● 既存のスーパーカミオカンデの約8倍の有効体積19万トン（総重量26万トン）の⼤型先端検出器（ハイパーカミオカンデ）を建設し、既存のJPARC⼤強度陽⼦加速器の増強と組み合わせてニュートリノ研究や関連研究を⾏い、素粒⼦と宇宙に対する知⾒を⼤きく広げる。
● 20年にわたる素粒⼦・宇宙研究の国際的な基幹装置となる。
● ⽶国次期ニュートリノ計画は2017年着⼯済み→HKの遅れは、⽇本が世界の研究を牽引してきた分野での優位性と先進性の消失につながる
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技術的要件● 新型光電⼦増倍管● ⾼感度化（２倍）● 地下⼤空洞● 空洞掘削技術● 堅硬な岩盤空洞サイズ、坑道レベル● きれいな⽔73.0 m

スーパーカミオカンデ

ドーム部

1150m

円筒部

二十五山
神岡鉱業坑道レベル

海抜-200mL

約650m-300mL

約550m-370mL

提供︓浜松ホトニクス株式会社

HK600 mハイパーカミオカンデ

Introduction

約480m

69.0 m

建設費総額が予算に収まる場合には、HK空洞の円筒部上端を最先端の実験を実現する
直径を69.0mより広げる可能性も残す-300mL北向坑道の高さに合わせる• より多くのニュートリノ（陽⼦崩壊）• より⾼精度で観測する

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豊富な研究テーマ● 宇宙の物質がなぜ存在できたかの謎● 素粒⼦（ブロック）の統⼀的な理解● ニュートリノ振動● 超新星爆発のメカニズムの解明● 超新星爆発の歴史の解明
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建設状況

ハイパーカミオカンデ研究者会議（2018年3⽉マドリッド⼤学）
国際協⼒によりプロジェクトを推進している

トンネル⼯事開始（2021年5⽉6⽇）
カバー（スペイン）

外⽔槽（英国）
提供︓浜松ホトニクス株式会社

光電⼦増倍管37
マルチPMT（カナダ、ポーランド、イタリア、チェコ、メキシコ）

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まとめ•ハイパーカミオカンデで素粒⼦と宇宙の⼤きな謎に挑戦する• 宇宙の物質がなぜ存在できたのかの謎• 物質（ブロック）を統⼀的に理解• ニュートリノを⽤いた天⽂学•2020年建設開始、2027年実験開始を予定している

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