172022
特 集

インタビュー

CP対称性の検証に向けて進化するニュートリノ実験施設
CP対称性の破れをより高い信頼度で示すために
電磁ホーンの増強

坂下健〜より大強度のビームを受けるために〜

関口 哲郎

大きな検出器をつくる

竹田

系統誤差の低減への挑戦〜前置検出器の増強〜

松原 綱之敦C P 対 称 性の 検 証に向けて進化 するニュートリノ実 験 施 設

本号のインタビューで、最初に直撃したのは、坂下氏。ニュートリノビームライン施設の増強において、全体を統括するとともに、自身は、ビームラインの制御系の開発と、ビームコミッショニング（要求性能を満たすビームを出すためのビームラインの調整）を担当している立場から、お話を伺った。（聞き手：J-PARC 広報セクション）

より早く、より高い信頼度で、CP 対称性の破れを示すことの重要性

茨城県東海村にある J-PARC の加速器を用いてつくっ

実験誤差には「統計誤差」と「系統誤差」がある。統計

ニュートリノはいろんな物質を通り抜けやすく、物質とほとんど反応した素粒子ニュートリノのビームを、岐阜県飛騨市神岡に誤差は、実験データの数を増やすことで小さくなっていく。

ない性質であるので、たくさんのニュートリノを生成して神岡に飛ばしてあるスーパーカミオカンデ検出器まで飛ばし、飛行中に多数のデータをできるだけ短い期間でためるための方策はニュートリノの種類が変わる「ニュートリノ振動」を調べ2つ。1つは、生成するニュートリノの数（＝ニュートリる実験、T2K（Tokai to Kamioka）。実験開始からまもノビームの強度）を増やすこと。このために、J-PARCなくの2013年、3種類あるニュートリノのうちの「ミューは、2021年夏からメインリング加速器の運転を長期休止ニュートリノ」が、別の種類の「電子ニュートリノ」に変し、加速器やニュートリノビーム生成施設の増強を進めてわるニュートリノ振動を発見した。その後、実験グループいる。2022年秋ごろからは、性能が向上した施設で大強は、このニュートリノ振動の現象を利用して、「CP 対称度のニュートリノビームを生成し、従来よりも高い効率で性の破れ」を検証する実験を開始した。宇宙誕生時に粒子実験を再開する予定である。短期間で多数のデータをためと反粒子（粒子と同じ性質を持つが電荷の符号が反対の粒るもう1つの方策は、検出器をより大きくして、より多く子）は同数つくられたはずであるのに、現在の宇宙は粒子のニュートリノを検出できるようにすること。スーパーカから成る物質で満たされており、反粒子から成る反物質はミオカンデの8倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデ見当たらない。これは、粒子と反粒子の性質にわずかな違検出器の建設が始まり、2027年の稼働を予定している。

い（＝ CP 対称性の破れ）があるためではないかと考えら一方の系統誤差は、測定方法などに何か原因があっれている。T2K 実験で、ニュートリノと反ニュートリノて、実験値が真の値からずれてしまう誤差のことである。

でニュートリノ振動の起こる確率に違いがあるかを調べる

T2K 実験の場合、主要な系統誤差は、ニュートリノと原ことで、ニュートリノにおける CP 対称性の破れを検証し子核の反応の理解が不十分であることに起因する誤差であようとしているのだ。
（CP 対称性の破れの詳細については、る。そこで、ニュートリノと原子核の反応を詳しく調べる

季刊誌「J-PARC」9号を参照）ために、前置検出器の改良が進められている。前置検出器だ。自動で安全の診断をして、危険回避の措置を取るシステムのことだ。

は、加速器でつくった陽子ビームを標的に当ててニュート「ビームが大強度になるのに伴い、不具合があればすぐ物を壊すことにな

現在までの実験から、ニュートリノにおいて CP 対称性リノビームを生成する場所から280 m 先に置かれており、の破れがある可能性は、約95％。かなり確実になったよ

ニュートリノ振動が起こる前のニュートリノを調べる検出うに聞こえるかもしれないが、CP 対称性の破れがない可器である。

能性も約5％あるわけだ。実験グループは、実験誤差を減らして、CP 対称性の破れの決定的な証拠、さらには破れ

本号では、ニュートリノの CP 対称性の破れを、より早の大きさを決める量である CP 位相角の精密測定に向けてくにより高い信頼度で示すために、現在、研究者達が進め挑戦を続けている。ている、施設の増強の取り組みを紹介する。

も、観測されるのはごくわずかだ。
「これまでの約10年でニュートリノの観測数は100くらい。より高い信頼度で CP 対称性の破れがあるかどうかを言うためには、少なくとも1000くらいの観測数が欲しいのです。これをできるだけ短い期間で達成したい。そのために、J-PARC のビームパワー（強度に比例）を現状の500kW から将来的に1300kW（2.6倍）にし、スーパーカミオカンデの8倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデを建設します。実現すれば、これまでの約20分の1の時間でデータをためられることになります。
」と、坂下氏は説明した。早くためられることは、2つの観点で重要であると坂下氏は言う。1つは、国際競争に勝つためという観点。もう1つは純粋に未知のサイエンスを早く知りたいという観点である。
「基礎科学の研究の重要性を考えるときに、スティーブ・ジョブズ氏の「リベラルアーツがあってこそ、テクノロジーのイノベーションが生まれる」という言葉が、まさにそのとおりだなぁと感じます。
」と、自由に生きるための技であるリベラルアーツの重要性を語ってくれた。

大強度だからこそ重要性が高まる
インターロックシステムの開発
坂下氏が精力的に取り組んでいるのが、インターロックシステムの開発るので、これまで以上にインターロックシステムが重要になります。」と、坂下氏。例えば、ニュートリノを生成する標的に、J-PARC 加速器から高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所
J-PARC センター
素粒子原子核ディビジョンの陽子ビームを当てる際に、正確に標的の真ん中でビームを受け、衝撃を坂下 健准教授

ム軌道がずれていないかを迅速に判断し、もしずれていればビームを止め受けるようにする必要がある。真ん中からずれた位置で大強度のビームを受けることになれば、衝撃で標的が壊れてしまう。これを防ぐために、ビーなければならない。ビーム軌道位置の計算は、従来はコンピュータで行い、1秒くらいかかっていた。今回の大強度化は、ニュートリノ生成標的に陽子ビームの塊を単位時間あたりに送り出す数を増やすことで実現する。具体的には、今まで2.48秒に1回だったのを、1.3秒に1回に変更する。「したがって、1つのビームの塊についての計算に1秒かけていては、次の塊を送り出すのに間に合いません。そこで、計算のための電子回路を共同研究者と一緒に開発し、計算時間を1000分の1秒よりも短くすることができました。
」と、説明してくれた。現在、ビームの幅が想定よりも狭くなり標的に局所的に衝撃を与え続けることを避けるために幅の計算も電子回路で行う改良を新しい共同研究者と共に進めている。
また、陽子ビームの軌道を曲げたり収束したりする電磁石

陽子ビーム位置をリアルタイムで計算する電子回路（開発中）。の磁場の調整においても、少しのずれが甚大な被害につながる。これを避けるための電磁石電源の電流・電圧のインターロックも KEK の技術職員の方と一緒に開発を進めている。

CP 対称性の破れをより高い信頼度で示すために

ニュートリノ生成施設の心臓部ともいえる装置が、電磁ホーンだ。生成したニュートリノビームは何もしなければ四方八方に広がり、神岡に届くのは生成したうちのごく一部だ。ニュートリノは電荷を持たないため、収束できない。そこで、電荷を持つ親粒子のπ中間子を、磁場をかけて収束する。
この装置が電磁ホーンだ。収束しない場合の15倍もの数のニュートリノをスーパーカミオカンデに送ることを可能にする。今回の施設増強で、3台の電磁ホーンのうちの第1ホーンと第2ホーンを新しいものに入れ替える。T2K 実験の立ち上げ時から電磁ホーンの開発を担当し、今回の増強も担当している関口氏にお話を伺った。

大きな検出器をつくる

大きな水槽をつくる「水槽は内水槽と外水槽から成ります。有効体積はニュートリノの反応によって出されるチェレンコフ光を検出する内水槽の大きさで決まり、コストは空洞体積を決める外水槽の大きさの影響を受けます。外水槽の目的は、ニュートリノ反応のバックグラウンドとなる宇宙線ミューオンによる事象を除くことと、周囲の岩盤中の放射性物質からの放射線をシー

スーパーカミオカンデ（SK）の8倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデ（HK）の建設に、水槽と光電子増倍管の支持構造体の責任者として取り組む竹田氏。コストをかけずに、有効体積を大きくすることがポイントだ。

ルドすることですが、その厚みは SK の2m から HK で1m にしても十分であることが分かりました。有効体積の取り方の改善も合わせて、水槽全体の大きさは SK の5倍に抑えて、有効体積を8倍にすることができました。
」と、大きな水槽の実現のカギを竹田氏は説明した。
また、SK では水槽からの水漏れがあった。最近、ニュートリノの検出感度を上げるため、SK 水槽中の純水にガドリニウム（Gd）が加えられた。環境中にほとんど存在しない Gd が入った水が放出されることは好ましくないので、水槽を補修して Gd が入った水が漏れないようにした後、Gd を加えたという。「HK でも将来的に Gd を加えたいと思っています。
水槽の外側に湧き水がたまって、メンテナンスで水槽の水を抜いたときに、電磁ホーンの増強〜より大強度のビームを受けるために〜ビーム収束力をさらに向上
今回の増強の1つ目の目玉は、電磁ホーンに供給する電流を、えました。
」大きな水槽の背景には、様々な知恵と工夫があった。

光電子増倍管を固定する支持構造体

関口 哲郎准教授

ニュートリノの反応により出るチェレンコフ光を捉える光電子増倍管のコストも重要な要素だ。研究グループは光電子増倍管の性能を向上させ、およそ半分になるので、同じ運転時間での通電回数はこれま少ない本数でも要求される物理成果を出せるようにして、コストを抑えた。

での2倍になる。そこで、長期間の運転に耐えられるように、「私の役割は、その光電子増倍管を固定する支持構造体の建設と、そこへ振動で故障しにくい構造に改良した。

これまでの250kA から当初の設計値である320kA に増やす

また、冷却水による長期間での腐食も、ホーンの寿命を左こと。より強い磁場で収束することで、神岡に届くニュート右するほどの深刻な問題となる。「小さい隙間などの水が溜まリノの数が10％増えるそうだ。大電流を供給するために、電りやすいところを徹底的に無くすことで腐食を起こりにくく源からホーンまでのすべての送電系を、より電流が流れやすする対策をしました。」さらには、水に放射線が当たることで、くより壊れにくいものに入れ替えた。さらに、前ページに記

水が分解して水素が発生することも、大強度化では非常に大載のとおり、今回の増強で、陽子ビームの塊が送られてくるきな問題となる。T2K 実験開始当初から10年以上にわたり、周期がおよそ半分になるので、今までよりも短い時間で大電水素を除去するシステムの開発、運用を行ってきた。
「このノ流を供給するために、エネルギー回生システムを備えた電源ウハウは、世界の他の大強度施設に情報提供しています。」とを新たに開発し、また電源を2台から3台に増やし、1台のホー話してくれた。

ンに対して1台の電源で運転するように、電源システムの大改水槽を押しつぶす力がはたらくと考えられるので、歪みを逃す構造を考高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所
J-PARC センター
素粒子原子核ディビジョンの光電子増倍管の設置です。支持構造体はステンレス製で、その量がコストに効きます。一方で、建設場所近くには跡津川断層があり、想定される大地震に耐えられるように設計する必要があります。少ないステンレス量で、耐震性を確保するために、支持構造体の上面は空洞の壁面に当たる岩盤にロックボルトで固定し、その上面から支持構造体側面を吊るようにしました。自立させるよりもはるかに少ないステンレス量で済み、SK のわずか2.5倍程度に抑えられています。
」と、ここでもコストと大きさを両立させたアイディアを披露してくれた。
また、光電子増倍管の設置作業は、業者任せでなく、光電子増倍管とケーブルの接続チェックなどを研究者も行うことになるそうだ。作業用造を行った。

さらなる大強度化に向けて大強度化したビームを受けるために「 大 強 度 化 は、世 界 の 様 々 な 施 設 を 見 て も 非 常 に チャ レの足場は素人でも安全に作業できるものを組めるように、支持構造体の設計段階から、後の施工作業に主眼を置く必要がある。設計業者と契約する段階で施工業者も決め、設計業者、施工業者、研究者の3者が密に連携して進めているのがポイントで、3者間の調整も竹田氏の重要な任務だ。

ン ジ ン グ な 取 り 組 み で す。今 回 の 1.3 秒 周 期 へ の 改 良 に よ

もう1つの目玉は、大強度ビームに対応することだ。計画当り、750kW を 実 現 す る 見 通 し で す が、300kW の こ ろ は、初に、ニュートリノビームライン諮問委員会で、大強度化し750kW は達成できるのか？と思いました。1.3MW の実現またビームを受けたときに問題がないか、検討、助言をいただ

では、まだ必要なことが多く、落ち着かない気持ちですが、いたという。電磁ホーンの各部の温度シミュレーションを行っワクワクするところでもあります。さらにその先、電磁ホーた結果、第2ホーンのバスバー（通電のための導体板）が高ンの設計を変えて、温になり、冷却が必要なことが分かった。高温になる理由は、ニュートリノの収量第1ホーンでπ中間子を収束するための磁場で、逆電荷のπ中をもっと上げたいと間子は蹴り出され、第2ホーンのバスバーに当たるためである。

いう構想もありま「すでに、新たに開発した第2ホーンのバスバーに通電し、発す。」と、さ ら に 先生するジュール熱に対して冷却試験を行いました。その結果まで見据えている。

からシミュレーションにより、第1ホーンからの蹴り出しのπ「目指す物理成果の中間子が当たっても、冷却できることを確認しました。」と、ために、装置開発は準備は万全だ。

非常に重要。」と挑

他にも、ビームの塊が来るのに合わせて電磁ホーンに通電戦を続ける関口氏のする際、機械的な振動が発生するので、回数が重なってくると、努力が実を結ぶとき装置の故障を生じる。大強度化により、陽子ビームの周期がが楽しみだ。

建設も物理も、やりがい十分の検出器
前例のない大がかりな検出器をつくること、そのために物理とかけ離れた建築、土木を学ぶことは、おもしろいという。それにより目指す物理として新しい第1電磁ホーンはコロラド大学でつくられた。関口氏（一番左）とコロラド大学の研究者達。

東京大学宇宙線研究所
神岡宇宙素粒子研究施設

は、最初は暗黒物質の探索など、加速

竹田 敦准教授「陽子崩壊や超新星も含め、ニュート（株）日建設計、（株）三井 E&S マシナリーと共同で設計が進められている HK の水槽と光電子増倍管の支持構造体。
J-PARC 方向から飛来したニュートリノによるチェレンコフリングが描かれている。

器を使わないものを考えていたそうだ。
リノの CP 対称性の破れの探索以外にも、たくさんの物理を与える検出器。
そこにあこがれて、いろんな人が集まる。やりがいは大きいです。
」と熱く語った竹田氏は、「HK プロジェクトにはそれだけのポテンシャルがある。」と結んでくれた。

低エネルギーの粒子も検出する必要がある。短い飛距離で止まるので、検出器の分解能が高くないと検出できない。

光検出器
光ファイバー

ニュートリノビーム

光ファイバー

光検出器

を振動確率としたグラフで表される（図）。
「このグラフの形は、ニュートリノ振動を理論的に表す数式から導くことができます。その数式にはニュート
リノ振動にかかわる『2つの質量二乗差』、『3つの混合角』、そして『CP 位相角』と呼ばれる物理量があり、これらの値によって振動確率が変わります。
実験で観測されたニュートリノのエネルギー分布と予測分布とを比較することで、目的の物理量を測定することができます。
」と、松原氏はニュートリノ振動解析の手法について、丁寧に説明してくれた。
ニュートリノ振動を詳しく調べるには、ニュートリノと原子核の反応をよく理解して、その系統誤差を小さくすることがカギとなる。ニュートリノはごくまれに物質を構成する原子核と反応する。主な反応モードはニュートリノと核子との反応（2体反応）で、反応で放出されるミューオンの運動量と方向から、元のニュートリノのエネルギーを求めることができる。しかし、陽子プラスチックシンチレータの原子核と反応ミューオンめてしまい、系統誤差の要因となる。

0.060.04

系統誤差を小さくするには

0.02「ニュートリノと原子核の反応で放出される粒子を精度良く捉えることができる新型の標的兼飛跡検出器を中心とする、前置検出器の改良を進めてい
0.5

1

1.5

22.53

CP位相角0°：CP対称性の破れがない。

CP位相角90°：CP対称性が最大限に破れている。

ます。2体反応をより高い精度で観測する、またそれ以外の反応も詳しく調べることで、系統誤差を大幅に減らすことができるからです。
」と、松原氏は意欲を見せる。今回の改良のポイントは、以下の3点だ。
1）新しい標的兼飛跡検出器に、1㎤のキューブ状プラスチックシンチレータを用いる（左ページ左下の模式図参照）。棒状のものを縦横に交互に並べた従来型検出器に対して位置分解能に優れ、反応を詳細に調べるために重要となる短い飛距離で止まる低エネルギー粒子の検出効率が向上する。また、複数の粒子が出る反応を従来の検出器よりも詳細に観測できる。
2）標的重量を約2トンとすることで、ニュートリノが標的内の原子核と反応するデータをより多く得ることができる。使用するキューブは約200万個、高い精細度を得るための読み出しチャンネル数は約6万チャンネ

1cm

建設中の新型

棒状のシンチレータを縦方向（紙面の上下方向）とキューブ状のシンチレータが並奥行き方向（紙面に垂直の方向）に交互に並べている。

べられており、その中を縦、横、ニュートリノがシンチレータを構成する原子核と反応

奥行き（紙面に垂直）方向に光して生じたミューオンや陽子などの荷電粒子がシンチファイバーが貫き、その端に光検レータ中を通過する際にシンチレーション光が発生す出器が設置されている。これによる。シンチレーション光は、棒状シンチレータの中をり、どのキューブを粒子が通過し貫く光ファイバーに吸収され、その信号は棒の端に設たかが分かり、従来型より優れた置された検出器で捉えられる。つまり、どの棒を粒子位置分解能が得られる。

組み合わせることで、粒子の通過位置を検出する。

よるものだと思って解析をすると、ニュートリノのエネルギーを間違って求ルにも及ぶ。

従来型が通過したかが分かる。縦方向と奥行き方向の情報をオンを出す反応が存在する。そのような反応で出たミューオンを2体反応に0.08

陽子

プラスチック
シンチレータの原子核と反応

1cm

ニュートリノの原子核との反応は複雑であり、例えば2体反応以外にもミュー0.1

ニュートリノのエネルギーとミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動確率の関係（T2K 実験の飛距離295㎞の場合に、理論から導かれたグラフ）。例えば、CP 位相角の値が異なると、グラフの形が変わることが見てとれる。
T2K 実験で生成するニュートリノのエネルギーは、CP 位相角の値による振動確率の違いがよく見える0.6GeV 付近にシャープなピークを持つエネルギー分布であり、実験と予測を比較することで、CP 位相角の値を求めることができる。

ニュートリノビーム

奥行き方向の並びギーによって異なる。その様子は、横軸をニュートリノのエネルギー、縦軸ニュートリノのエネルギー（GeV）

ミューオン

縦方向の並びを飛行したときにニュートリノ振動が起こる確率は、ニュートリノのエネル

0

シンチレータ検出器を真横から見た図

ニュートリノ振動解析におけるニュートリノ反応の系統誤差とは？
ニュートリノがある決まった距離（T2K 実験では東海―神岡間の295㎞）

振動確率

シンチレータ検出器の改良
従来よりも高い精細度で短い飛跡も検出！

ニュートリノと原子核とで起こる2体反応やそれ以外の反応を詳しく調べるには、反応で出るニュートリノ振動解析におけるニュートリノ反応の系統誤差を減らすための前置検出器の改良も、今回の施設増強の目玉だ。主担当者の松原氏にお話を伺った。

1辺1cm のキューブ状のプラスチックシンチレータ（上）。
釣り糸で組み上げられた約200万個のシンチレータキュー
ブ（下）。今後、各キューブの中を、縦、横、奥行き方向に貫くように光ファイバーを設置する。

系統誤差の低減への挑戦〜前置検出器の増強〜
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所
J-PARC センター 素粒子原子核ディビジョン

松原 綱之助教

3）ミューオンの3次元飛跡を精細に調べることができるガス検出器を標的兼飛跡検出器の上下に2台設置する。2体反応とそれ以外の反応ではミューオンの放出角度分布が異なる。この検出器配置によって、これまで検出が難しかった、入射ビームに対して大きな角度方向に飛び出す粒子も検出できる。

前置検出器改良にかける松原氏の思い「概念設計の段階からこの計画に加わりました。実現可能な詳細設計に落とし込むまでには多くの苦労がありましたが、いろいろな国の研究者や技術者と協力して徐々に形になっていく過程は楽しくもありました。まだ検出器の建設に気が抜けませんが、新しい検出器で物理結果を得るのが待ち遠しいです。」と、熱い思いを語ってくれた松原氏。前置検出器の完成と、それが生み出す物理の結果を、読者の皆さんも楽しみにしてほしい。

2022 No. 17
表紙：主要なニュートリノ生成機器である 3 台の電磁ホーンのイメージ図

実験グループメンバーの集合写真。ニュートリノビーム生成施設の建屋前にて撮影。

ご意見、ご感想をお待ちしております。

web-staﬀ@j-parc.jp＜ 編集後記 ＞
本号のインタビューで直撃したニュートリノの皆さんは、どの方も、装置開発の大変さ、日々のたゆまぬ努力の大切さを教えてくれました。そして、皆さん共通に、その先に見据えているのは、ニュートリノのCP対称性の破れについて、より確実に知りたい、ということ。読者の皆さんの中から、こうした物理の研究に興味を持って、足を踏み入れようという方が出てきたら、嬉しいです。
季刊誌 J-PARC No.17

2022年3月発行

発行／J-PARCセンター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

企画・編集／J-PARCセンター広報セクション CG制作／宮崎 剛（カシカガク） デザイン／遊文舎

http://j-parc.jp