ハドロン宇宙国 際 研 究センター アイス ハップ ニュース
熱湯が凍る「ムペンバ効果」
表紙の写真は、快晴の南極で空中に撒かれた熱湯が一瞬にして凍った様子です。 特定の条件下では、低温の水より熱湯の方が先に凍ります。 これは「ムペンバ効果」と呼ばれる現象で、1963 年に当時International Centerfor Hadron Astrophysics

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Feb. 2021 no.

タンザニアの中学生だった B. ムペンバが発見したと言われています。
太陽に照らされて凍った熱湯がきれいに円を描く
様子は爽快で、心に響く1カットです。
IceCubeの本格観測開始から今年で10周年です

IceCube©Benjamin Eberhardt, IceCube/NSF

Report now 1
ニュートリノ天 文学部門

IceCube実験アップグレード計画に用いる卵型光検出器D-Egg
理学研究院・特任研究員

金 賢一
IceCube-UpgradeとD-Egg

製造現場のあれこれ

IceCube 実験は宇宙から飛来する高エネルギーニューD-Eggの製造現場は千葉大学ではなく、神奈川県横浜トリノを観測するプロジェクトです。1立方キロメートルの市金沢区にある日本海洋事業株式会社（NME）の福浦整

深氷河中に約5000台の光検出器 DOMが埋設されており、備場です。NMEは深海用無人探査機「江戸っ子1号＊2」の2011年からすべての検出器を用いた観測が開始されま技術面に助言していた企業であり、まさに江戸っ子1号にした。また現在計画中の次世代プロジェクトIceCube-関する新聞記事を目にしたことが NMEへ協力を依頼する

Gen2では検出範囲を約8倍へと拡大することで、さらなきっかけとなりました。また同探査機の外殻である耐圧ガる高エネルギーニュートリノ事象の捕捉を目指しています。

ラス球を開発した岡本硝子株式会社にもご協力いただいた

その第一段階として、氷河に対する較正を主な目的としたことで、70MPa（水深7000m 相当）の耐圧性能が要求

IceCube-Upgradeの建設が2022年より開始予定とされるD-Eggのガラス球を開発にこぎつけられたのです。

なっています。Upgradeプロジェクトで新たに埋設する福浦の整備場では、まずD-Egg 製造の第一段階として、約700台の検出器の内、約300台を千葉大学が開発を信越シリコーン製の光学ゲル＊3を用いてPMTをガラス半球担当しているD-Egg（図1）が占めます。2018年9月には内へ固定する「ポッティング」を行います（図2）。不純物の図１:千葉大学が開発した卵型 光 検 出 器D-Egg。 写 真は海洋 研究開 発 機 構の高圧実験水槽装置を用いた耐圧試験時のもの。

図 2 : NME福浦整備場内のクリーンブース。 写真左側に光学ゲル硬化待ちのD-Egg半球が並んでいる。作業机には静電防止シート (緑) が敷かれている。

混入を防ぐためにクリーンブース内でゲルの注入を行い、アメリカ国 立 科 学 財 団による Preliminary Design

硬化待ちをする数日に渡って保管します。またゲルに水Reviewを他の検出器に先駆けて突破し、2019年6月に分が混入しないように、ブース内では除湿機を常に稼働さはUpgrade用検出器として認定されました。

せて湿度を30% 前後にキープしています。ガラス球を持つ卵型の耐圧ガラス球内部に浜松ホトニクス製の光電子増際に滑ってしまうため、ハンドクリームなどをつけるのは御倍管 PMT が上下2箇所に搭載されていることが D-Egg

法度であり、私をはじめとした乾燥肌持ちの人には過酷なの特徴です。これにより、下向きPMT のみ搭載された作業環境です。

DOMに比べて倍以上の光検出効率を達成します。PMT

ただし低湿度環境は検出器製造において諸刃の剣でもの他には, 磁界中でPMTの出力変動を抑制するための磁あり、検出器に実装する回路基板の大敵である静電気が＊1

気シールド、PMT への印加 電圧を制御するデバイダ回滞留しがちというデメリットがあります。その対策として

路基板、PMTから読み出した信号を処理するメイン基板、作業机には静電防止シートを全面に敷き、基板を扱う際に氷河中の光伝搬特性に対する理解を深めるためのLED 制は帯電を防止するリストバンドの装着が必須です。そして御基板、再氷結した氷河を詳細に調べるカメラ制御基板、基板実装後には上下のガラス半球同士を合わせ（図3）、及び地上の制御室へデータを送るための通信用ケーブルが真空引きにより封止します。その際には窒素パージ（窒素各 D-Eggに実装されています。

置換）も行うことで残存酸素量を減らし、何十年にも渡る＊1 印加：電気回路に電源や別の回路から電圧や信号を与えること。

＊2 江戸っ子1号：2013年に東京都や千葉県の中小企業6社と支援団体により開発された日本の深海用小型フリーフォール型無人探査機。日本海溝、水深7800m の海底生物を3D フルハイビジョンでビデオ撮影に成功した。

＊3 光学ゲル：D-Egg のガラスと PMT の間に流し込まれ固定する素材。光の屈折や反射を防ぎ、チェレンコフ光を PMT に取り込みやすくする効果も。

Final Acceptance Test
千葉大学へと送られてきたD-Eggたちには、南極へ送るに相応しいかを判別するためにFinal AcceptanceTest（FAT）が課されます。室温とマイナス40度の間を行ったり来たりして温度ストレスをかける約20日間の長期的な試験を経ることで, 南極深氷河中という過酷な環境下
図3：（左）部品実装後のD-Egg下半球。
（右）
封止前に下半球から伸びるケーブルを上半球のデバイダ回路基板へ接続する。

稼働でも内部部品が酸化しないように工夫しています。

においても安定した稼働が保証できるのです。我々が所有する大型フリーザー内には1度に16台の各 D-Eggが遮光用の暗箱へ収納されます（図5）。この暗箱にはフリーザー

耐圧ガラス球の封止作業では、過去のDOM 製造時に開発された技術の他に、NMEにとって本来の業務の1つである海底地震計 OBSの整備で培われた技術も応用されています。NMEの方々と二人三脚をしつつ1日2台ペースで製造し、2021年度中に約300台の D-Egg 製造完了を目指しています。

D-Egg第1号の完成
2019年度中に開始できると思われた検出器製造も、令和元年房総半島台風による製造現場の浸水被害やコロナ禍による自宅待機要請といった外的要因が重なり、長期的な延期を余儀なくされました。それでも基板の試験など、できることを粛々と進め、製造再開に備えること約1年。

図5:（左）本研究室所有の大型フリーザー及びD-Egg収納用の暗箱。
（右）暗箱内へ収納された状態のD-Egg。

そして2020年10月5日、ついに本格的な製造が開始され、外から32本の光ファイバーが伸びており、レーザーからの待望のD-Egg 第1号が完成しました（図4）。この第1号の光を伝搬。検出器の上下に搭載されたPMT へと照射し完成で勢いに乗っていた我々は当初の予定に比べて倍とます。南極における実際の実験環境ではニュートリノ反応由来の荷電粒子により生じるチェレンコフ光を検出しますが、試験用のセットアップではこのレーザー光を用いて模擬的に光検出器の性能を評価します。FATの肝とも言える暗箱の図 4:D-Egg 第 1 号（写 真 下 段 中 央 ）と当日製造に参加していたNME及 び 千 葉大学のメンバー。 マ
スク越しに安 堵の表情 が 見 て 取 れます。
写 真 右 端が筆 者 。

完成は、本学工学部デザイン学科の意匠形態学研究室の方々からの多大なるご協力あってのもの。例えば、低温時に降りた霜が温度低下に従って溶けて板が吸水し反ってしまうという問題に対しては、ウレタンで塗装されたパネコートを用いるという解決策をいただきました。
またFAT用のソフトウェア開発は基本的に自前で行っていますが、IceCubeグループ所属のソフトウェアエンジニアの方々からも、時には海外からテレビ会議を繋いでのなる、1日あたり4台ペースでの製造を敢行。その結果、リアルタイムデバッグなど、数え切れないほどのご助言をい1週間で製造した計16台の D - E g g を第1便として千葉ただいたことは忘れてはなりません。この場を借りて御礼申大学へと送り出すことができました。

し上げます。

余談ですが、慣習として各検出器には愛称を付けること

現在はNMEでのD-Egg 製造と千葉大学でのFATをになっており、D-Eggの場合は南極大陸もしくはその周並行して進め、南極へ検出器を送り出す準備を着々と進め辺に棲息する鳥類や魚類などの名称から引用しています。ています。学会や研究会において、それぞれの最新状況に例えばD-Egg 第1号には「Adelie Penguin」、第2号について報告をしていますので、興味のある方はそれらには「Emperor Penguin」といった形です。これらは南極ぜひ足を運んでみてください。

大陸に主な繁殖地を持つ2種のペンギンにちなんでいます。

Report now 2
プラズマ宇宙研究部門

活動銀河中心核における短時間変動する軟X線放射領域の形成
理学研究院・教授

松 元 亮治
活動銀河核のふたつの顔

活動銀河中心核（Active Galactic Nuclei: AGN）には、ブラックホールシャドーが初めて撮像された M87のように中心核が可視光では暗い電波銀河と可視光・紫外線で明るいセイファート銀河やクエーサーがあります。

私たちは、高精度の磁気流体コード CANS+［2］を、輻射輸送、及び輻射と物質の相互作用を近似的に解くように拡張し、この輻射磁気流体コードを適用することによって、状態遷移中の時間発展計算に成功しました。

明滅する活動銀河中心核

最近、この 2 種類の活動銀河間を遷移する Changing

図１(a) に温度の 3 次元分布、(b) に時間発展を示し

Look AGN が注目されています。ひとつの銀河が、あます。赤が高温、青が低温領域です。ブラックホールのるときは暗い電波銀河、あるときはセイファート銀河に質量は 107 太陽質量としました。ブラックホール近傍のなるわけです。これらの AGN の増光時には激しく時間高温領域の外に 106-107K の軟Ｘ線放射領域が形成され、変動する強い軟Ｘ線放射が観測されています。この軟Ｘこの領域が数日程度の周期で振動することがわかりまし

線がどこから放射されているか、これまで謎でした。なた。放射エネルギーは軟 X 線が卓越します。これを示し

ぜなら、活動銀河中心核の巨大ブラックホールの周りにたのが図２(a) です。カラーは輻射エネルギー密度、実形成される高光度の回転円盤（降着円盤）の温度は線が輻射の流線です。軟Ｘ線放射領域の輻射エネルギー

510 K 程度しかなく、軟 X 線を放射するには低すぎるか密度が最大になっています。遠方から観測したときの光らです。

度変化を図２(b) に黒い実線で示します。縦軸の単位は千葉大学大学院生の五十嵐太一君を中心とする私たち

球対称降着の場合の上限光度であるエディントン光度でのグループは、国立天文台のスーパーコンピュータす。上限光度の 0.5% 程度の光度で、準周期的な光度変XC50 等を用いて、巨大ブラックホール降着流の 3 次元化が生じることがわかりました。この光度と周期は、シミュレーションを実施し、状態遷移中の時間発展を明Changing Look AGN の光度、短時間変動の時間スケらかにしました［1］。従来、ブラックホール降着流の大ールとよく一致しています。

局的 3 次元計算は高温低密度で輻射が無視できる場合と活動銀河中心核エンジンの研究は長く停滞していまし輻射エネルギーが熱エネルギーを凌駕する場合しか行わたが、Changing Look AGN の多波長同時観測とシミれていませんでした。これは、その中間状態では円盤のュレーション結果の比較を突破口として、統一的な理解厚みが薄くなり、解像できなくなってしまうためです。

が急速に進展しつつあります。

図１：3次元輻射磁気流体シミュレーションから得られた（a）
温度分布。青色が軟Ｘ線放射領域。
（b）温度分布の時間発展。横軸はシュバルツシルト半径を単位とした動径座標、縦軸はt 0 =100sを単位とした時間（Igarashi et al.
2020［1］より抜粋）。

図２：（a）のカラーは輻射エネルギー密度の分布。実線は輻射の流線。
（b）の黒線は鉛直方向遠方から観測した光度変化。単位はエディントン光度。赤線。
は動径速度（Igarashi et al. 2020［1］より抜粋）［1］“Radiation Magnetohydrodynamic Simulations of Sub-Eddington
Accretion Flows in AGNs: Origin of Soft X-Ray Excess and Rapid
Time Variabilities”, Igarashi et al. Astrophysical Journal 902, 103,
DOI:10.3847/1538-4357/abb592 (2020)［2］“Magnetohydrodynamic simulation code CANS+: Assessments andapplications”, Matsumoto, Y. et al. Publ. Astron. Soc. Japan 71, DOI:
10.1093/pasj/psz064 (2019)

What's New

ICEHAPは千葉大学全学センターになりました
2020年10月1日付で、ハドロン宇宙国際研究センター（ICEHAP) は理学研究院附属センターから独立した全学センターとして改組いたしました。千葉大学を代表する研究センターとして研究・教育活動を推進するとともに、世界の研究者のコミュニティーに開かれた研究組織として運営を行います。

今回は、 ペンギンのコスプレがかわいい
IceCubeさんと研究室内でも製造が進んでいるディーエッグ（D-Egg）のおはなし。
さく 秋本祐希（ひっぐすたん） ＃002

最 近 の主な論文
本センターのメンバーが発表した主要な論文です
・IceCube Collaboration: A. Ishihara,L. Lu,Y. Makino,K.
Mase,R. Nagai, A.Stößl,S. Yoshida, et al. ; Time-Integrated
Neutrino Source Searcheswith 10 Years of IceCube Data,
Phyical Review Letters 124, 051103, DOI:10.1103/
PhysRevLett.124.051103 (2019)
・IceCube Collaboration: A. Ishihara,L. Lu,Y. Makino,K.
Mase,R. Nagai, A.Stößl,S. Yoshida, et al. ; Characteristicsof the Diffuse Astrophysical Electron and Tau Neutrino Fluxwith Six Years of IceCube High Energy Cascade Data,
Physical Review Letters 125, 121104, DOI:10.1103/
PhysRevLett.125.121104 (2020)
・Shigeru Yoshida and Kohta Murase ; Constraining
photohadronic scenarios for the unified origin ofIceCube neutrinos and ultrahigh-energy cosmic rays,
Physical Review D 102, 083023, DOI:10.1103/
PhysRevD.102.083023 (2020)
・L.Gu, K. Makishima, R. Matsumoto, K. Nakazawa, K.
Shimasaku, N. Inada,T. Kodama, H. Xu, M. Kawaharada,
Implications of the mild gas motion found with Hitomi inthe core of the Perseus cluster,Astronomy & Astrophysics,Volume 638, id.A138, 15 pp., DOI:10.1051/00046361/201936437 (2020)
・T. Igarashi, Y.Kato, H. R. Takahashi, K. Ohsuga,
Y. Matsumoto, R. Matsumoto,Radiation
Magnetohydrodynamic Simulations of Sub-Eddington
Accretion Flows in AGN: Origin of Soft X-ray Excess
and Rapid Time Variabilities,Astrophys. J., 902, 103,
DOI:10.3847/1538-4357/abb592 (2020)
・H. Hotta, H. Iijima, On rising magnetic flux tube andformation of sunspots in a deep domain, Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society, 494, p.2523,
DOI:10.1093/mnras/staa844 (2020)
・Y. Morinaga, T. Ishiyama, The impact of filamentaryaccretion of subhaloes on the shape and orientation ofhaloes, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,495, p.502, DOI:10.1093/mnras/staa1180 (2020)
・T.Ohmura, M.Machida, K.E.Nakamura, Y.Kudoh,
R.Matsumoto, Two-temperature magnetohydrodynamic
simulations for sub-relativistic active galactic nucleus
jets: dependence on the fraction of the electron heating,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 493,
p.5761, DOI:10.1093/mnras/staa632 (2020)

アイスキューブさん ジェンツー（IceCube-Gen2）検出装置の性能の向上などで、ニュートリノの観測能力のパワーアップを目指しています。

ディーエッグ（D-Egg）
現在使われているDOMに代わる新しい検出装置のひとつで、上下で光が検出できるスグレモノ。

作者 秋本祐希（ひっぐすたん）

アイスキューブさんなど素 粒子にまつわるかわいいイラストの4コマ
漫画は、サイト「Higgstan（ひっぐすたん）」で公開されています。

Information
授の著書「深宇宙ニュートリノの発見」が01 吉田滋教光 文社 新書より発 売されました。

最近の IceCube

ICEHAP センター長・吉田滋教授の著書「深宇宙ニュートリノの発見」が光文社新書より発売されました。IceCubeニュートリノ大型検出器が2017年9月に南極で捉えたニュートリノにより、その放射源天体が初めて特定され、40億光年の彼方にある巨大なブラックホールをもつブレーザー天体がニュートリノとガンマ線を放出していることが研究の結果わかりました。
その大発見の中心にいた一人である吉田教授が、世界初の超高エネルギー放射源天体という功績に至るまでの研究者としての半生をまとめたのがこの1冊です。山梨の観測施設に始まり、米国ユタ州の砂漠での実験、そして南極点のアイスキューブ実験。
厳しい環境を渡り歩きながら、宇宙線研究に打ち込んできたこれまでの研究者人生は苦労と挫折の連続で、研究者としての信用を失うという危機にも直面します。大きな科学的発見の裏にある研究現場の実情と研究者らの努力と苦労を垣間見ることができ、ノンフィクションでありながら、まるでドラマのような内容です。それでいて、数多くの観測データも掲載され、実際の研究についても詳しく言及されており、物理学や実験に興味のある方には読み応えのある内容となっています。物理学を志す学生やニュートリノ研究に興味ある方にぜひ読んでいただきたい1冊です。

特 任 准教 授 が
02 松本
本 学先 進学 術 賞に©IceCube Collaboration

授、
03 堀田准教
優 秀成 果 賞受 賞

2020年11月26日、プラズ
マ宇宙研究部門の松本洋介特任准教授が、独創的・萌芽的研究など高い研究能力を有する研究者を表彰する2020年度「千葉大学先進学術賞」を受賞しました。研究テーマ「プラズマ第一原理シミュレーションによる高エネルギー宇宙線加速の研究」

2020年10月30日、プラズマ宇宙研究部門の堀田英之准教授が、「京」を中核とする HPCI システム利用研究
課題第7回成果報告会において、物理・素粒子・宇宙分野の課題「低質量星の熱対流と磁場活動の探査（課題番号：hp190070）」で、『HPCI 利用研究課題優秀成果賞』を受賞しました。

世界各国で活動しているI c eCubeのメンバーが一同に集まり、毎 年 春と秋に行 われている
IceCubeコラボレーションミー
ティング。2019年の秋に千葉大学で行われたのを最後に、世界的な新型コロナウィルスの感染拡大の影響を受け、2020年の通常開催は取りやめになり、オンラインミーティングに移行して開催されています。
約300名のメンバーがバーチャルに集まり、研究報告やワークショップなどを行いました。
国内外での学会も、今年度は全て中止またはオンラインでの開催になっています。早くこの状況が終息し、安全に国内外で研究活動ができるようになることを心待ちにしています。

最近のセンター長「三密」は銭湯に当てはまるのか、誰か教えてください(銭湯でぼ〜とするのが好きだったんですが)。

ICEHAP のホームページが新しくなりました

04 NEW MEMBERS!
清 水 信 宏 Nobuhiro Shimizu
こんにちは。2020年11月から助教として着任しました清水信宏です。東京大学を卒業した後は、そのまま同大学の大学院に進学し Belle/Belle2実験に参加しました。修士課程では Belle2検出器の最内部に設置されている崩壊点検出器の開発を、博士課程では電子・陽電子ビームによって大量につくられるタウ粒子の崩壊を精密測定して、弱い力のダイナミクスを研究しました。博士の学位を取得後は、大阪大学に移り、日本学術振興会博士研究員として3年、特任研究員として半年、J-PARC KOTO 実験に参加しました。中性 K 中間子という粒子の稀な崩壊を通じて、新物理の探索をすることを目的としています。本当にものすごく稀な現象を相手にしているので、実際はバックグラウンドの理解が主なテーマとなります。特に、最近明らかになった（中性でなく）荷電 K 中間子が引き起こす、バックグラウンド事象の理解をするためのデータ取得やその解析を主導したり、（こちらは KOTO 実験のメインテーマではないですが）ローレンツ不変性を破る別の崩壊の探索などを行ったりしてきました。
そしてこの秋、新たな世界を探検するチャンスがやってきました。IceCube実験のターゲットとしている物理は、私がこれまで研究で取り扱ってきたどの粒子よりも、はるかに大きなエネルギーに関わるものです。
ICEHAPへは、このエネルギーの高さが持つシステムの可能性に惹かれてやってきました。広大な宇宙のどこかに存在する、超高エネルギーニュートリノを作る起源の探索や、高エネルギーでしか現れない新物理現象の検証など、やりたいことがたくさん転がっています。新しい環境で精一杯の貢献を、そして何より、物理を楽しんでいきたいと思います。

©IceCube Collaboration

デザインも一新され、研究関連はもちろん、学生の方向けのページも多数追加されました。ICEHAPメンバーのプロフィールにも質問コーナーを設け、教授や研究員らの興味深い一面も。
詳しくはコチラから。
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ICEHAPニュース・バックナンバー
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千葉大学 ハドロン宇宙国際研究センター
International Center for Hadron Astrophysics, Chiba University

11

Feb. 2021 no.
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発行：2021年2月1日／発行人：吉田 滋・石原 安野／編集：高橋 恵（ICEHAP）
・石川 順一
デザイン：荒木 未来© ICEHAP. All Rights Reserved.

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