Research Report

ミッションR&D完了、EGADS新たな未来へ
マーク・ヴェイギンズ Mark Vagins
Kavli IPMU 主任研究員

15年前、理論家のジョン・ビーコムと私は、スーパー

要約するとこういうことです。中性子がガドリニウカミオカンデ（Super-K, SK）測定器に水溶性のガドリムに捕獲されるとエネルギーの高いガンマ線のカスケ

ニウム［Gd］化合物である塩化ガドリニウム、GdCl3、ード的放射が起こるため、Gd を添加した Super-K の中またはそれより反応性が低いが水溶性に劣る硫酸ガドで逆ベータ崩壊（IBD）反応からは陽電子による信号とリニウム、Gd2(SO4)3を100トン添加することを初めて提

中性子捕獲による信号が同時に発生します。この同時案しました。GADZOOKS!（Gadolinium Antineutrino

計数（あるいは同時計数の欠如）を利用すると、バッ

Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande,クグラウンドを大幅に減らすことができ、その結果超＊Super!）と名づけられた、このSKにGdを混ぜるアイデ

新星ニュートリノ（天の川銀河内で発生した超新星かアの基本原理は、Physical Review Lettersに発表したらのニュートリノと過去の超新星からの背景ニュート

論文［1］と、Kavli IPMU News に書いた解説［2］に詳リノの両方）および原子炉からの反ニュートリノに対しく述べられています。

する検出効率が大幅に上がります。また、陽子崩壊の＊探索に関して、真の核子崩壊では終状態に自由な中性「ガズークス」と読む。
「ウワーッ !」という驚きを表 現する英 語 であると共に1694年 に 遡る捨て台 詞 のような古 語 であるが、ここでは Gadolinium
Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super!の略語で「旧いカミオカンデよりも、スーパーカミオカンデよりも、とんでもなく優れた素晴らしいガドリニウム反ニュートリノ検出器」という意味をもつ。

子は通常存在しないため、バックグラウンドをカットすることによりSuper-K の陽子崩壊に対する感度を改

200 トン水タンク（50cm 径の PMT227 本とハイパーカミオカンデ用試作 PMT13 本を使用)

ガドリニウムを溶かす前処理用
15 トンタンク

水＋Gd の選択的ろ過システム

図1 神岡鉱山に設置された大規模ガドリニウム試験設備、EGADS。

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EGADS
実験室

Kavli IPMU News No. 43 September 2018

濃度[ppm]

15ｍ通過後の残存チェレンコフ光(%)

EGADS の 200 トンタンク内の光の透過率と硫酸ガドリニウムの濃度

底部

中央部
上部

図2 EGADSの主要結果。

善します。さらに、太陽ニュートリノの研究もスパレニウムを抜き出してタンクに戻し、同時に他の全てのーション（宇宙線μ粒子による核破砕反応）からのバ不純物を除去することができるように設計されたもの

ックグラウンドの低減により恩恵を受けます。

です。

結果。

2009年9月から神岡鉱山内のスーパーカミオカンデ

GADZOOKS! の概念の物理的可能性は容易に理解での近くに新しい実験室の開削が始まり、そこには図1にきるものでしたが、実現しようと思うと取り組まなけ

示す専用の大規模ガドリニウム試験設備と水チェレンコればならない複数の技術的問題がありました。当然、

フ検出器（本質的には200トンのスーパーカミオカンデ縮ガドリニウムと測定器に用いられている物質である水と小モデルで、取り付けられた光電子増倍管のうちの十数の相溶性（混合した場合、分離せずに混ざり合う性質）本はハイパーカミオカンデ用に試作されたもの）が建設を示す必要がありましたが、一番の難題は、スーパー。EGADS（イーガズと読む。Evaluating
されました［3］カミオカンデのような測定器では水中の光の平均自由Gadoliniumʼs Action on Detector Systems の略称で、行程が約100メートルと長いことが必要で、これを保「ガドリニウムが検出器システムに及ぼす作用の評価」のつため常に水を精製装置を通して循環させることです。

意味）として知られるこの装置は、添加されたガドリ

既存のスーパーカミオカンデの精製装置は、ガドリニニウムが測定器中の物質に悪影響を及ぼすことは絶対ウムをいくら添加したとしても、光学的な透明度を保にないと確認することと、最終的にスーパーカミオカつために除去する他の全ての不純物と共に速やかに排ンデに適用するために必要な条件に近い規模でガドリ出してしまいます。

ニウム添加技術の実行可能性を証明するために設計さこの重大な問題を解決するため、私は本質的に新しれました。これらの準備研究は既に完結しました。

いタイプのろ過システムを開発しました。私の「分子EGADS の主な結果を図2に示します。スーパーカミ

バンドパスフィルター」は水から選択的に硫酸ガドリ

オカンデ中をチェレンコフ光が通過する平均距離であ33ResearchReport

る15メートルを通過した後に残存する光量で表した水てタンク内部を見下ろしたところです。ガドリニウムの透明度と、200タンク中の硫酸ガドリニウムの濃度を添加した水が見えます。図5は水が抜かれたタンクのを時間の関数としてプロットしてあります。両方ともタン底部で側壁を見上げた写真です。全てピカピカで美し

クの底部、中央部、上部の3点で測定されたものです。

く、何年も0.2% の Gd2(SO4)3 が溶けた水にさらされて、図の上の方の3本の線が透明度（残存光量（%単位）いたのに何も変わっていません。

左側のスケール）を、図の下の方の3本の線が濃度（ppm

EGADS によって得られた知見は、スーパーカミオカ

単位、右側のスケール）を示しています。スーパーカンデにガドリニウムを添加する計画を進めるため、ス

ミオカンデの超純水はこれまでに作られたこれ程大容ーパーカミオカンデ共同実験グループおよび T2K 共同

量の水としては最も透明度が高いのですが、その透明実験グループの両方から正式な承認を得るに十分なも度は図の上部の青い帯で示される領域にありました。のでした。

2015年4月にガドリニウムが予定の濃度に達すると、次の重要な知見が得られました。

一方、R&D の役割を終えた EGADS はデータ取得用のハードウェアおよびオンライン計算機の計算能力を著しく増強し、今や世界で最先端の水を用いた超新1） ガドリニウム対応の水循環精製システムが正常に星ニュートリノ測定器として稼働を続けています。そ運転している時（図2で灰色の網線で示された箇所の野心的な目標は、再びガドリニウムを添加した水を以外）は、ガドリニウムを添加した水の透明度はス満たし、逆ベータ崩壊（IBD）反応からの中性子にガーパーカミオカンデの超純水の透明度と同等になる。

ドリニウムでタグする（標識を付ける）ことによる信

2） 200トンタンク中のガドリニウムを添加した水のを、最初のニュートリノが測定器に到着してから1秒以総量を、650回に渡りガドリニウム対応の水ろ過シ内に、完全に自動的に人手を介さずアナウンスするこステムを通過させたが、その間検出可能な硫酸ガド。この生まれ変わった EGADS は今や真のとです［4］リニウムの損失は全くなかった。

マルチメッセンジャー天文学を目指し、日本の可視光、これらの結果を得て、タンクを開き内部を点検するトワークに加わっています。再利用された EGADS と時が来ました。図3に示す写真は EGADS の 200トンタいう略語さえ、その意味は Employing Gadolinium to

ンクの頂上にある大きな正方形のハッチを開く準備がAutonomously Detect Supernovas（自律的超新星検できたところです。図4の写真では、このハッチを通し出のためのガドリニウム利用）と変更されました。

頼性に基づき、天の川銀河系内で発生した超新星爆発

X線、ガンマ線、赤外線、重力波を用いる観測のネッ

2017年5月16日：2014年10月以来初めてEGADS 200
トンタンクを開け、内部を見ようとしているところ。

図3

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これからEGADSタンクを開けるところ。

2017 年 5 月 16 日： 0.2%硫酸ガドリニウム水が見える。2 年以上に渡り EGADS タンク内を満たしていた。

図4 2年間満水状態でガドリニウムを添加した水にさらされたEGADSタンク内を見下ろす。

図5 タンク内の水を抜いた後、2年半に渡りガドリニウムを添加した水につかっていたEGADSの側壁を見上げる。

文献[1] J . F. Beacom and M . R . Vagins , GADZOOKS! Antineutrino spectroscopy with large water Cherenkov
detectors , Phys . Rev. Lett . 93, 171101 (2004) [hepph/0309300].
[2] M . R . Vagins, Kavli IPMUのニュートリノ予報：概ね晴れ、超新星の可能性大, Kavli IPMU News, No. 19, September
2012, pages 32-37.

2017 年 11 月 6 日： 200 トンタンクの底部から側壁を見上げる。
0.2%ガドリニウム水に 2 年半浸かっていたが、申し分なく見える。

Research
Report[3] M . R . Vagins, EGADS実験始まる, IPMU News, No. 15,September 2011, page 39.
[4] S. M. Adams, C. S. Kochanek, J. F. Beacom, M. R . Vagins,
K . Z . Stanek , Observing the Next Galactic Supernova,
Astrophys. J. 778 (2013) 164 [arXiv :1306 .0559 [astroph.HE]].

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