スーパーカミオカンデ実験

謎の粒子ニュートリノ

世界最大の地下ニュートリノ観測装置

東京大学宇宙線研究所

物質をくだいていって、これ以上こまかくできない最小単位の粒子を素粒子といいます。ニュートリノはその素粒子の一種です。観測が難しく、質量の有無すら近年まで分かっていなかった謎の粒子です。宇スーパーカミオカンデは、世界最大の水チェレンコフ宇宙素粒子観

直径39.3m、高さ41.4m の円筒形のタンクには、約５万トンの純水測装置です。1991年に建設が始まり、5年間にわたる建設期間を経が蓄えられています。タンクの内壁には、直径50cm の光電子増倍宙の成り立ちの解明への重要な鍵を握ると考えられています。

たのち、1996年4月より観測を開始しました。東京大学宇宙線研究管（光センサー）が内向きに11,129本、直径20cm の光電子増倍管所附属神岡宇宙素粒子研究施設を中心に、日本、アメリカ、ポーラが外向きに1,885本取り付けられています。観測の邪魔になるノイニュートリノは幽霊粒子

ンド、韓国、中国、スペイン、カナダ、イギリス、イタリア、フランス、

ズを減らすため、岐阜県飛騨市神岡鉱山内の地下1,000ｍに設置さベトナムの約50の大学や研究機関との共同研究で行われています。

れています。2020年からは、タンクの水にガドリニウムというレアアースの一種を加えて実験を行っています。

ニュートリノは非常に軽く、電荷を持っていないので、他の物質とほとんど反応せず何でもすり抜けていってしまいます。例えば太陽で生まれたニュートリノは、私たちの体を１秒間に数百兆個も通り抜けています。

エレクトロニクスハット
光センサーからの電子信号を処理 す る 電子回路 や 高電圧電コントロールルーム源などが設置されています。

研究者 が24時間365日検出器 が 正 し く 動 い ているか確認しています。

ニュートリノはさまざまなところで作られる太陽や地球の内部、星の寿命がつきて起こる超新星爆発、宇宙から高速で飛んできた粒子（宇宙線）と地球の大気との衝突でニュートリノが生まれます。人間が作った原子炉、加速器でもニュートリノは生まれています。138億年前の宇宙の始まりでもたくさん作られました。
宇宙はニュートリノだらけといってもよいでしょう。

ニュートリノは３兄弟
ニュートリノは電子から電荷をはぎ取った

水が入る前のタンク内部
通常は純水で満たされ、中を見ることはできません。

ような性質を持つ素粒子です。電子の仲間が3種類（電子、ミュー、タウ）あることに対応してニュートリノも3種類（電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ）の仲間が存在します。

電子ニュートリノ

電子ミューニュートリノ

ミュー粒子

タウニュートリノ

タウ粒子

ガドリニウム水システム
ニュートリノによるかすかなチェレンコフ光を観測する
ため、水を極限まで純化する必要があります。タンク内の水を循環しながらガドリニウムを保ちつつきれいにすることができます。

神岡宇宙素粒子研究施設へようこそ
東京大学宇宙線研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設は、岐阜県北端の飛騨市神岡町にあり、富山駅から南へ30km、神岡町市街地から北へ15km の場所に位置します。

ニュートリノのとらえ方
検出器に入ってきたニュートリノとタンク内の水が衝突した時にスーパーカミオカンデの目的

本施設は、スーパーカミオカンデ実験を推進するため、1995年に設はじき出される荷電粒子が放つ光（チェレンコフ光と呼びます）をニュートリノの性質を解明する

同利用・共同研究拠点としてスーパーカミオカンデだけでなく他の実壁に取り付けられた光センサーでとらえます。得られる光の量やリ太陽ニュートリノ、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、種類などを決定でどの観測を通じて、ニュートリノの性質の全容解明を目指きます。

しています。ニュートリノの性質を解明することは、宇宙の初期に物質がどのように作られたかという謎に迫ることにつながります。

チェレンコフ光

ニュートリノで宇宙を見る

ニュートリノ

立されました。現在では、地下を利用して宇宙・素粒子研究を行う共験にも利用され、国内外から多くの研究者がやってきます。
地下実験室は、研究棟から車で15分ほどの池ノ山（標高1369m）山頂直下1000m にあります。ここでは、測定の邪魔になる宇宙線が地表に比べて10万分の1であることや、地面振動が小さいことなどを利用して、素粒子物理、宇宙物理、地球物理などの世界最先端の研究が行われています。

ニュートリノを使って星の内部や宇宙全体を「見る」ことが水中の荷電粒子できます。例えば、太陽ニュートリノの観測により、太陽内部の活動を直接知ることができ、太陽など星の進化を調べ光センサーることができます。

陽子崩壊を発見し、大統一理論の実証へ物質に働く３つの力（弱い力、電磁気力、強い力）をまとめてミューニュートリノをとらえた時の観測画面。色のついた点一つが各光センサーからの情報を表し、リング状の光をとらえたことが分かります。

説明する大統一理論では、陽子が崩壊してもっと軽い粒子

東京大学宇宙線研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設〒506-1205 岐阜県飛騨市神岡町東茂住456
TEL:0578-85-2116 FAX:0578-85-9640になることを予言しています。スーパーカミオカンデでは、この未発見の陽子崩壊現象を探索しています。

https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/2023.07

スーパーカミオカンデ
ガドリニウムプロジェクト（SK-Gd）

ハイパーカミオカンデ実験

ダークマターの検出へ向けて

T2K 実験

ハイパーカミオカンデ実験は、現行のスーパーカミオカンデをダークマターとはT2K 実験（東海ー神岡長基線ニュートリノ振動実験）は、茨城県

素粒子と宇宙の謎に挑む次世代計画

超新星背景ニュートリノの検出へ凌駕する世界最大の地下観測装置を用いた国際共同プロジェク

SK-Gd プロジェクトは、スーパーカミオカンデの５万トンの純発見、超新星爆発ニュートリノの観測などを通して、素粒子の水にレアアースの一種であるガドリニウム（Gd) を加え、ニュー統一理論や宇宙の進化史の解明を目指します。

トです。陽子崩壊の発見やニュートリノの CP 対称性の破れのトリノ観測感度の向上、特に、宇宙の初期から起きてきた超新国際協力と大型化で発見を目指す
宇宙が何からできているかを調べると、既知の原子などはわずか5%クマターと呼ばれる物質です。ダー
形作った源と考えられており、ダーリノ」の世界初の検出を目指しています。

クマターの直接検出に成功すれば、超新星背景ニュートリノの観測により、超新星爆発のしくみに東海村の大強度陽子加速器（J-PARC）で生成された世界最大強度のニュートリノビームを295km 離れたスーパーカミオカン
デに打ち込み、これを検出することによって、世界最高感度でニュートリノ振動の測定をしようとする実験で、2009年から

ダーク
マター

27%

宇宙の成り立ちの謎の解明や、素迫れます。さらに宇宙の元素がどのように作られてきたかとい5%にすぎず、その5～6倍は未知のダークマターは、現在の宇宙の構造を星爆発によって蓄積されたニュートリノ「超新星背景ニュート

通常の物質ニュートリノ振動の全容解明へ開始されました。
ダークエネルギー

68%

岐阜県飛騨市神岡町

スーパーカミオカンデ
茨城県那珂郡東海村

粒子物理のさらなる発展にも結びう歴史の解明にもつながります。

J-PARC

つく、非常に重要なテーマです。

XENONnT 実験
イタリアの地下で2021年から観測を開始した XENONnT 実験
T2K 実験

は、液体キセノン約10トンを用いた、世界最高感度のダークマター

ハイパーカミオカンデ建設イメージ図
ハイパーカミオカンデ検出器が設置される本体空洞施設は、直径69m、高さ73ｍの円筒部とそれを支える高さ21m のドーム部からなり、地下の人工空洞としては世界最大規模となります。

直接検出実験です。神岡施設において、XENONnT 検出器に必要な装置の製作や試運転、分析機器の開発を行ってきており、ダースーパーカミオカンデ

J-PARC

クマターの発見を目指しデータ解析を行います。

大気ニュートリノ

2027年実験開始に向けて2020年2月に正式に計画がスタートし、世界約20ヶ国から500スーパーカミオカンデ名を超える研究者が参加し、2027年の実験開始に向け現在建XENONnT 検出器の建設設が進んでいます。

真空容器に入れたあと上部円満たされる。下部に見えるの６月には本体空洞ドーム中心部に到達しました。2022年11月

は、光センサー（光電子増倍管）から本体空洞の掘削が開始されています。2年かけて本体空洞のアレイ。

Credit: XENON Collaboration

掘削を行い、その後水槽ライナー設置工事へと進みます。

2020年に最初のガドリニウムを導入し、新生スーパーカミオカンデとして観測を開始しました。2022年7月には２回目のガ神岡施設で2019年まで運用されていた XMASS 実験は、ダーク太陽ニュートリノでは、電子ニュートリノから他の２つのニュートリノへの大気ニュートリノでは、ミューニュートリノからタウニュートリノへの変化を、ウム濃度で観測を行っています。今後数年の観測で超新星背景

本体空洞 ド ー ム 部分
は、天井部にアンカー大きく低ノイズの装置を、国際協力を行い実現することが大事間を広げていきます。

2015年ノーベル物理学賞

ニュートリノ振動の発見
ニュートリノには重さがあったガドリニウムによる高感度化のしくみ
ガドリニウムを加えると中性子が「見える」ようになり、水と一番反応する反電子ニュートリノを区別して選び出せるので、超新星背景ニュートリノへの感度が高まります。

ニュートリノ振動を飛ぶ間に種類が変わります。

代と呼ばれています。さらに研究を発展させるためには、より定性を確保しながら空太陽中心次世代のダークマター検出実験へ
ハイパーカミオカンデ
建設現場を埋め込んで岩盤の安地球

ニュートリノは３種類のニュートリノが混ざりあった状態にあり、長い距離ドリニウム導入を行い、2023年７月現在、0.03% のガドリニニュートリノの世界初観測を目指します。

太陽ニュートリノ

筒形の部分に液体キセノンが2021年５月より開始したトンネル掘削は順調に進み、2022年

ガドリニウム導入による高感度化

地球の裏側マター探索の第1世代と呼ばれ、現行 XENONnT 実験は第2世です。その枠組みを G3C（Generation Three Consortium）として立ち上げ、神岡でも複数のグループが研究を進めています。

ニュートリノ振動が起こるためは、ニュートリノが質量を持つことが必要になります。したがって、ニュートリノ振動の発見は、ニュートリノが質量を持つことの証拠となりま す。そ れ ま で の 理論 で は、

スーパーカミオカンデは1998年大気ニュートリノの観測から、ニュートニュートリノは質量を持たなリノ振動という現象を世界で初めて発見しました。

いとされていたので、この発見地球の裏側で作られて長い距離を飛んできたニュートリノの数が、検出は従来の理論を超えた、新たな器のすぐ真上から降ってくるニュートリノの数に比べて約半分しかない物理への扉を開くことになりことを発見しました。

ました。

これは、地球の裏側で生まれたミューニュートリノが長い距離を飛んでいこの発見に対して、東京大学宇る間に別の種類のニュートリノに変身してしまったからだと分かりました。

宙線研究所の梶田教授に2015

このニュートリノの変身を、ニュートリノ振動と呼びます。2001年には年ノーベル物理学賞が贈られ太陽ニュートリノ振動も発見しました。

ました。

スーパーカミオカンデ

大気圏に突入する宇宙線変化を観測しました。T2K 実験では、ミューニュートリノから電子ニュートリノに変化する現象を発見しました。

なぜ我々が存在するのか宇宙誕生時には物質と反物質が同数あったはずなのに、現在の宇宙には反物質はほとんどなく物質で満ちています。これは、ニュートリノと反ニュートリノの性質に違いがあることが原因ではないかと考えられています。
2011年、世界で初めてミューニュートリノから電子ニュートリノへの変化（出現）を示唆する結果を得た T2K

ニュートリノ

実験は、現在はミューニュートリノから電子ニュートリノへの変化と、
反 ミ ュ ー ニ ュ ー ト リ ノ か ら 反電子ニュートリノへの変化の違いを直接調べることで、宇宙から反物質が消大気ニュートリノの発生えた謎に迫ろうとしています。

スーパーカミオカンデで観測された電子ニュートリノ出現事象候補の例。