11．ニュートリノターゲット

高エネルギー加速器研究機構
中平武

目次ニュートリノターゲット
１

長基線ニュートリノ振動実験 … …………………………………………………………………………… 11－１

２

ニュートリノビームの生成方法 … ………………………………………………………………………… 11－１
２．１ 概要… …………………………………………………………………………………………………… 11－１
２．２ 早い取り出しビーム… ………………………………………………………………………………… 11－２
２．３ ニュートリノ生成標的の制約条件… ………………………………………………………………… 11－２

３

ニュートリノ生成標的の設計 … …………………………………………………………………………… 11－２
３．１ ニュートリノ生成標的の材質… ……………………………………………………………………… 11－２
３．２ 冷却方式… ……………………………………………………………………………………………… 11－３
３．３ 寿命想定… ……………………………………………………………………………………………… 11－４
３．４ 標的の構造… …………………………………………………………………………………………… 11－４
３．５ 接地と絶縁… …………………………………………………………………………………………… 11－５
３．６ 標的の状態監視… ……………………………………………………………………………………… 11－５

４ニュートリノ生成標的の現状とまとめ … ………………………………………………………………… 11－６４．１ ビーム運転での実績… ………………………………………………………………………………… 11－６
４．２ 1.3MW 対応のアップグレード………………………………………………………………………… 11－６
４．３ まとめ… ………………………………………………………………………………………………… 11－６

参考文献 … ………………………………………………………………………………………………………

11－７

ニュートリノターゲット
1. 長基線ニュートリノ振動実験
物質を構成する基本的な粒子の一つであるニュートリノには未解明の謎が残されており、実験的にその性質を解明することが素粒子物理学のFig.1 長基線ニュートリノ実験(T2K)の概要最大の課題の一つとなっている。とくに、「弱い相（図:T2K コラボレーション）互作用におけるパリティの破れ」という実験事実に基づいて素粒子の「標準模型」ではニュートリノの質量はゼロとされていたにもかかわらず、「ニュートリノ振動」の発見によってゼロでない質量をもつことが証明され、その理解は標準模型を超える新物理の糸口と期待されている。そこでニュートリノ振動現象の全貌を解明するため、加速器により人工的に生成したニュートリノビー
ムを用いてニュートリノ振動を精度よく測定する「長基線ニュートリノ振動実験」が行われている。とくに、ニュートリノとその反粒子である反ニュートリノの間で、もし「ニュートリノ振動」の振る舞いに違いがあれば、宇宙開闢の時に物質るため、いかに大強度のニュートリノビームを生成できるかどうかが実験の成否を左右する。
長基線ニュートリノ実験のためのニュートリノビーム施設は、日本、および欧米で建設されているが[3-5]、本項では J-PARC ニュートリノビー
ムラインでのニュートリノ生成標的[6-9]について述べる。

2. ニュートリノビームの生成方法
2.1. 概要

J-PARC では、陽子ビームを黒鉛標的にあてて、反応によって生成された荷電パイ中間子を電磁と同量生成されたはずの「反物質」が消えてしまった謎の大きなヒントが得られると期待されてホーンと呼ばれるパルス電磁石で収束する。

いる。

壊すると進行方向にミューオンとミューニューニュートリノは、反応の仕方が異なる電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリ(Fig.2) 収束されたパイ中間子が飛行しながら崩トリノが放出される。約 110m 下流のビームダンノの 3 種類が存在する。ニュートリノ振動とは、プでミューオンや他の荷電粒子を止めてしまうと、ニュートリノだけが地中を伝搬してビームと生成された時点で種類が特定されたニュートリノが、一定時間の経過した後に別の種類のニューなる。電磁ホーンに流す電流の極性によって収束トリノとして観測される現象である。とくに現在進行中の長基線ニュートリノ振動実験では、加速器を用いて生成されたミューニュートリノが電子ニュートリノに変化する確率を高精度で測定される粒子の電荷の正負を選べる。それにより、π+中間子を収集してニュートリノビームを生成するか、π−中間子を収集して反ニュートリノビームを生成するか、2 つの実験条件を選択的できる。

することをめざしている。加速器で生成した数百MeV のニュートリノは、このモードのニュートリノ振動を起こして種類が変化するまでに 100km以上伝搬する。J-PARC 加速器を用いた T2K 実験[1]では、ニュートリノ生成点から 295km 離れた陽子ビーム

大型水チェレンコフ検出器スーパーカミオカン
デ[2]で検出する。(Fig.1) 日本列島を横断した先で反応性の極端に小さいニュートリノを観測す

11－ 1

標的

生成されたパイ中間子(例)

第一電磁ホーン
第二電磁ホーン

Fig.2 ニュートリノ標的まわりの機器の断面図

2.2. 早い取り出しビーム

以下では、より具体的なニュートリノ生成標的

長基線ニュートリノ振動実験では、加速器で生成したニュートリノを、宇宙線由来の天然のニュートリノから分別するために、時間情報を用いる。J-PARC MR 加速器を周回している陽子ビーム(8 バンチ)を 1 ターンの間にすべて取り出して、約 5μs の短時間の間にニュートリノを生成する。
スーパーカミオカンデでは、加速器の陽子ビーム取り出しに同期した短時間の間の事象のみ選別することで、大気ニュートリノの混入を十分小さくできる。つまり長基線ニュートリノ実験のためには、早い取り出しビームを用いることが必須と考えられる。

前述のようにニュートリノ生成標的には早い取り出しによる照射に耐え、そこで生成されるパイ中間子を収集する電磁ホーンの内部に収容される必要がある。これらに由来するニュートリノ生成標的に対する主な設計要求は以下のとおりとなる。
設計当初には、陽子ビームの条件として、
Ø

運動エネルギー30GeVØ

1 スピルあたり陽子数＝3.3×1014

Ø

繰り返し周期＝2.1 秒周期

3. ニュートリノ生成標的の設計
3.1. ニュートリノ生成標的の材質

ニュートリノ生成標的では、早い取り出しにより一度に大粒子数の陽子が照射されることで生じる瞬間的な温度上昇が問題となる。発熱密度が大きくならないように比較的密度が低く、かつ融点が高い材質として、等方性黒鉛(グラファイト)が選定された。グラファイト標的の基本的なサイズ（長さ、外径）に関しては、陽子ビームのプロファイルおよび電磁ホーンの内部導体の形状や2.3. ニュートリノ生成標的の制約条件

l(Fig.3)の設計について述べる。

配置などのパラメータと合わせて、パイ中間子の収量を最大化するようにモンテカルロシミュレーションにより最適化された。グラファイト標的の基本的な形状としては、直径 26mm,長さ約900mm の丸棒で、その中心軸(＝陽子ビーム軌道)に合わせて 4.2mm のビーム幅(σx,σy)をもつ陽子ビームが照射される。この条件下で標的黒鉛内部での局所発熱量を MARS によるシミュレーシ
ョンにより評価すると、ビームパルスあたり最大で約 200 [J/g]となり(Fig.4)、断熱条件を仮定するで、ビーム強度 750kW を想定していた。
2020 年からは、繰り返し周期を 1.16 秒周期に短縮してビーム強度 1.3MW に対応するようにアップグレードを進めている。
l

1 年間のビーム運転時間としては 107 秒を想定する。

l

電磁ホーン(同心円筒導体によるトロイダル電磁石)の内部導体の中に設置できるよl

うに固体標的とする。
パイ中間子の収量を最大にするため、
Nuclear Interaction Length の約 2 倍程l度の厚さをもつ “Thick Target”とする。
高度に放射化することが見込まれる標的や電磁ホーンのメンテナンス回数を減らすため、5 年程度の機器寿命を確保する。

11－ 2

Fig. 3 J-PARC ニュートリノ生成標的 1 号機
(手前)と電磁ホーン(奥). [6]

標的は交換装置のリニアガイドにしたがって,電磁ホーンの内部導体の中心に挿入される.
中央のチタン合金製直管の中に黒鉛標的が収納されている.

縮むことが予想されるので、標的の両端を固定するような支持構造は避ける必要がある。また、放射線損傷により黒鉛の熱伝導率は大幅に低下するので、冷却設計の考慮に入れる必要がある。これらの黒鉛の放射線損傷の影響は、照射時の黒鉛の温度に大きく依存することが知られており、照射時温度が 400~800℃の場合に影響が小さいとされている。また、400℃よりも低い温度では黒鉛材料の中に水素やメタンガスが蓄積して脆化するスウェリングなどの影響が懸念される。
14Fig. 4 陽子ビーム (σx=σy=4.2mm, 3.3×10 )1 パルスあたりの発熱密度 J/g/pulse [11]3.2. 冷却方式と瞬間温度上昇ΔT は約 200K となる。これに起因する熱応力σeq は、!"#

σeq = $(&"#) EαΔT

(3-1)

設計時には、MARS によるシミュレーションに基づいて、陽子ビーム強度 750kW の場合の黒鉛標的の総発熱量として 20kW を想定した。従来のニュートリノ生成標的では水冷が主流であったが、J-PARC では黒鉛の温度を放射線損傷の影響により評価される。ここで、ヤング率 E、ポアソが少ない 400℃以上にすることをねらって、ヘリン比ν、線膨張係数αはグラファイト材料の物性値であり、瞬間温度上昇ΔT もグラファイト材料ウムガス冷却を採用した。水冷方式の場合には冷の密度にほぼ比例する。グラファイトは延性材料
ではないが、J-PARC のニュートリノ生成標的の材料選定にあたっては、材料の引張強度に対して繰り返し疲労を考慮するための係数 0.7 を掛けた値を許容応力とし、許容応力の熱衝撃による熱応力(3-1)との比を安全率として考慮した。国内メーカ
ーの等方性黒鉛製品で、標的を製作するのに十分なサイズが供給されている製品のなかから、この安全率の高い東洋炭素製の IG-430[10]を選定し却水の沸点(100℃)以下では放射線損傷の影響が大きいことに加えて、早い取り出しビームの照射による冷却水自身の瞬間温度上昇やそれにともなう大きな圧力変化も解決困難な問題であった。
ヘリウム配管の設計を容易にするためにヘリウムガスの温度として 200℃以下 (供給温度を 30℃とした場合の許容温度上昇として 170K 以下)を条件とすると、必要なヘリウムガス質量流量としては 25 g/s = 560 Nm3/h となり、陽子ビーム強度た。この製品の引張強度 37.2MPa に対して、想750kW 定常運転時の黒鉛標的の中心部の平均温度の最高値としては約 870℃と想定される。ヘリ

定される熱応力は 7.2MPa と算出され、安全率とウムガスによる冷却を採用するためには黒鉛標しては約 3.5 と評価した。[11]的をヘリウムタイトな容器に収容することが必

等方性黒鉛に関しては、永年にわたって原子炉や核融合炉の炉心材料として研究されており[1214]、放射線損傷の影響による物性値の変化などがよく調べられている。標的の設計においてまず問題となるのは、放射線損傷による寸法変化である。シミュレーション(MARS[15])により、想定使用期間である 5 年間での放射線損傷は 1.25 dpa程度と評価され、これにより-0.5%の寸法変化が見込まれる。つまり約 1m の長さの標的が 5mm要で、その容器には陽子ビームの通過する部分(ビーム窓)が必要となる。J-PARC ニュートリノ標的
では、比強度の高いチタン合金のうち、加工性、強度、入手性の観点からチタン JIS60 種(Ti-6Al4V)を標的容器の材料として選定した。シミュレーション(MARS)による発熱量想定は不定性があるため、実際のヘリウムガス循環系の構築にあたっては、30%の安全マージンを確保すべくヘリウ

11－ 3ムガス質量流量として 32 g/s = 660 Nm3/h を設3.4. 標的の構造計仕様とした。

標的は電磁ホーンの中に設置されている機器

3.3. 寿命想定であるが、陽子ビームの照射を直接受けるよりシニュートリノ生成標的では、黒鉛部分を 400℃以上の高温を維持するので、黒鉛の強度低下につながる経年変化の主たる要因としては、冷媒ヘリウムガス中の不純物として含まれる酸素による酸化消耗が考えられる。標的で用いている黒鉛製ビアな環境にある機器であり、標的のみが故障した場合に電磁ホーンから分離して交換できるようにするのが合理的である。また、前述のとおり
黒鉛標的は放射線損傷で収縮するため両端を固定する設計にはできない。これらのことから、ニュートリノ生成標的の基本構造としては、電磁ホ品(IG-430)について、黒鉛の温度や酸素濃度と酸ーンの支持フレームにカンチレバー式に支持さ化消耗の進行速度の関係や、酸化消耗の進行に伴う引張強度の変化等を黒鉛素材のメーカーに委れて、電磁ホーンの内部導体にビーム軸の上流側託して測定した。その結果に基づくと、5 年間のは、黒鉛標的を冷却するためのヘリウムガスの供給口および排出口もビーム軸の上流側に配置す

酸化消耗による引張強度の低下を考慮した場合に熱応力に対する安全率として 2 以上を確保する
ためには、ヘリウムガスの不純物として混入する酸素を濃度 100ppm 以下にし、かつ標的の表面付近の温度を 700℃以下にする必要がある。また黒鉛材料の灰分(不純物)が少ないほど酸化消耗耐性が高いので、灰分の少ないグレードを選定した上で、製作工程(グラファイト部品の接合)で熱処理を実施している。

から差し込まれる形状が採用された。この構造でる必要が生じる。それに加えて、標的を格納するチタン合金容器のビーム窓となる部分も冷却する必要がある。そのため、黒鉛標的の周りに 2 重の配管を配置したり、黒鉛標的を支持する黒鉛ブロックに開けた交差した穴を通して、ヘリウムの流れを立体交差させたり、複雑な構造となっている。(Fig.5)
冷媒のヘリウムガスは、まずチタン容器の上流側のビーム窓部分を冷却する。これにより上流側のビーム窓は陽子ビーム強度 750kW の場合でもFig. 5 J-PARC ニュートリノ生成標的の断面図 [6]11－ 4

Fig. 6 標的内部でのヘリウムガスの流れ [6]平衡温度は 120℃以下に保たれる。そのあと二重配管の隙間(チタン容器と黒鉛管の間)を通って標3.5. 接地と絶縁的下流側に導かれ、チタン容器の下流側のビーム標的が電磁ホーンに設置されると、標的チタン窓を冷却して方向を 180°変える。そのあと、標容器と電磁ホーンの内部導体の間は 3mm 程度し的と黒鉛管(二重配管の内側の管)の間を通過しながら標的本体を冷却したのち排出される。(Fig.6)

かないため、“同心円筒のコンデンサー”とみなせてしまう。電磁ホーンに約 1kV(想定値)のパルス

標的へ供給されるヘリウムガスの圧力は、約電圧が印加されると、AC 結合により標的チタン0.2MPa(ゲージ圧)である。標的の周りの配管断面積 が 限 ら れ る た め ヘ リ ウ ム ガ ス の流 速 は 約

容器も電磁ホーンと同程度の高電圧がかかることになる。そのため、標的チタン容器はセラミッ230m/s に達するが、ヘリウム中の音速の約 1/4 程ク製の絶縁部品を介して固定され、ヘリウムガス度に相当する。常温でのサンプル試験では、とくにエロージョンなどの影響は見られなかった。

配管にもセラミック製の絶縁継手を使用している。ただし、長期間の電磁ホーン運転に伴うチャさらに、標的チタン容器につながるヘリウムのージアップを防ぐために、高抵抗(~4MΩ)を介し供給管や排出管は、U 字管(現在はマイタ接合によるコの字管に設計変更)により流路が 180°変えて接地している。高放射線環境であることを考慮して、無機材料の抵抗器 (金属皮膜抵抗)を選択られたうえで着脱可能な継手がつけられている。

し、なんらかの原因で抵抗器が物理的に損傷してこれは、標的をビーム軸方向に動かして電磁ホーンに対して着脱を行う際に、ヘリウム配管の着脱も飛散したりしないようにセラミック製部品の内部で使用している。

も同時に自動的に行われるようにするためである。これによりヘリウム配管の脱着操作としてはリモートクランプの締結/解放のみとなる。

3.6. 標的の状態監視

前述のとおり、ニュートリノ標的本体は複雑なヘリウムガスの流れる方向は、電磁ホーンへの構造となっていることにくわえて、高放射線環境熱の伝搬を防ぐように決められている。電磁ホーンの内部導体は高導電性アルミ合金製で、その許にあり、高電圧もかかる。そのため、各種センサーなどを仕込むことは容易ではない。現状では標容温度は約 60℃程度である。標的のヘリウム流路的の近傍で冷媒のヘリウムガスの入口温度と出を逆にすると、内部導体に近接する標的チタン容器の温度が、標的冷却後の 200 度のヘリウムガス口温度を測定する熱電対が標的本体付近にある唯一の状態監視機器となっている。それらに加えにより同程度の温度まで上昇してしまう。て、ガスクロマトグラフィー装置によるヘリウム

11－ 5

ガスの不純物監視や、ヘリウムガス中に生成されとしては 60 g/s =1240 Nm3 となる。すでに音速たトリチウム量の測定を行なっている。の約 1/4 に達しているヘリウムガスの最高流速を増やすのは難しいため、ヘリウム供給圧力を約4. ニュートリノ生成標的の現状とまとめ
4.1. ビーム運転での実績

J-PARC ニュートリノビームラインは 2009 年
度に運転を開始し、ニュートリノ生成標的の 1 号0.6 MPa (ゲージ圧)に増加されることで流量を確保する方針で、標的チタン容器の設計変更やヘリウム循環系の改修の準備が進められている。
4.3. まとめ

機は 2013 年まで最大陽子ビーム強度 240kW で使 用 さ れ 、 と く に 問 題 な く 累 積 陽 子 数 6.7 ×1020POT の照射を受けた。電磁ホーンの交換に伴

長基線ニュートリノ振動実験のための J-PARC
ニュートリノビームラインでは、二次ビーム収束用パルス電磁石(電磁ホーン)の中で早い取り出しって 2014 年から 2021 年まで標的 2 号機が使用され、最大ビーム強度 520kW、累積陽子 3.2×による大強度ビームを受ける黒鉛製の厚い標的1021POT の照射に耐えた。この間 2015 年には標あるが、黒鉛部分の放射線損傷を低減することを的からのヘリウム排出管のセラミック製絶縁継手でヘリウムリークが発生したため、リモートメねらい高温で運用するため、ヘリウムガス冷却がンテナンスで改良された配管に置き換えられた。
2023 年からは英国 RAL より設計改良・製作された 3 号機が使用されている。3 号機ではチタン容器の真空引きが可能になっており、これまでよりである。陽子ビームの照射により約 20kW の発熱採用されている。これまでに最大陽子ビーム強度520kW で累積陽子数 3.2×1021POT の照射を達成している。さらに、1.3MW の陽子ビームに対応するための標的の冷却能力を増強する改良がすすめられている。

もヘリウムガスの純度管理が改善されることが期待されている。それに加えて、ヘリウム循環系の熱交換器を圧力損失の小さいものに変更することで流量を増加させ、750kW を超えるビーム強度に対応する。
4.2. 1.3MW 対応のアップグレード

J-PARC MR 加速器およびニュートリノビームラインは、T2K 実験や次世代の長基線ニュートリノ振動実験であるハイパーカミオカンデ[16]にむけた出力増強改修をすすめている。[17,18] ハイ
パーカミオカンデ実験が開始される 2027 年度までに、繰り返しを約 1Hz に短縮して陽子ビーム強度 1.3MW でのニュートリノビーム生成を実現する予定となっている。前述のとおり、ニュートリノ生成標的の基本的な設計をすすめる上で最も支配的な必要条件は、パルスあたりの陽子数で決まる熱衝撃に対する耐性であるが、ビーム出力増強のための高繰り返し化で条件は変わらない。ただし、単位時間あたりの発熱量が増えるため、冷却能力の増強が必要であり、陽子ビーム強度1.3MW に対して必要なヘリウムガスの質量流量11－ 6

貞夫, 塩沢 周策 (1991 年 10 月)(https://doi.org/10.11484/jaeri-m-91-154)

参 考 文 献[15] N. Mokhov, C. James, "The MARS Code System
User’s Guide Version 15(2016)",
FNAL-FN-1058-APC(https://doi.org/10.2172/1462233)[1] Public webpage of the T2K Experiment(https://t2k-experiment.org/ja/)[2] スーパーカミオカンデ 公式ホームページ(https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/)[3] P. Adamson et al.,Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
A 806, 279 (2016),(https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.08.063)[4] G. Acquistapace, et al., “The CERN neutrino beam
to Gran Sasso (NGS),” CERN-98-02,(https://doi.org/10.5170/CERN-1998-002)[5] S. Kopp, Phys.Rept.439:101-159,2007(https://doi.org/10.1016/j.physrep.2006.11.00)
加速器を用いたニュートリノビーム生成についての包括的なレビューペーパー[16] ハイパーカミオカンデホームページ(https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/)[17] S.Igarashi, et al., "Accelerator technical design reportfor 1.3 MW operation at J-PARC Main Ring",
KEK Report 2021-2(https://libextopc.kek.jp/preprints/PDF/2021/2124/2124002.pdf)[18] K. Abe, et al, "J-PARC Neutrino Beamline UpgradeTechnical Design Report",
https://doi.org/10.48550/arXiv.1908.05141[6] 中平 武 , 松原 綱之,「加速器」Vol. 18, No. 4, 2021（217–224）(https://doi.org/10.50868/pasj.18.4_217),[7] T. Nakadaira, J. Radioanal. Nucl. Chem. 305, 777
2015, (https://doi.org/10.1007/s10967-015-4120-7.)[8] C.J. Densham et al., WE6RFP033, Proc. of PAC09,
Vancouver, Canada, 4-8.
[9] C.J. Densham et al., THOA01, Proc. of HB2010,
Morschach, Switzerland, 560-562.
[10] Property data of special graphite,(https://www.toyotanso.co.jp/Products/Special_grap
hite/data.html)[11] 上田 俊輔, 「J-PARC ニュートリノ振動実験におけるニュートリノ生成標的の研究・開発」,修士論文 京都大学 (2004/01/29)
J-PARC ニュートリノ標的の材料選定について詳しい記述がある。
[12] JAERI-M 89-006 「高温工学試験研究炉の黒鉛構造設計方針」,日本原子力研究所 高温工学試験研究炉設計室 (1989/02)(https://doi.org/10.11484/jaeri-m-89-006)[13] JAERI-M 91-153「高温工学試験研究炉・炉心黒鉛構造設計方針における設計用データの解説」
石原 正博, 伊与久 達夫, 豊田 純二, 佐藤 貞夫, 塩沢 周策 (1991 年 10 月)(https://doi.org/10.11484/jaeri-m-91-153)[14] JAERI-M 91-154「高温工学試験研究炉・炉心支持黒鉛構造設計方針における設計用データの解説」,石原 正博, 伊与久 達夫, 豊田 純二, 佐藤11－ 7