宇宙史国際研究拠点の活動報告
数理物質融合科学センターワークショップ・運営協議会
2017年1月23日
金 信弘 （宇宙史国際研究拠点長）

宇宙史国際研究拠点

３つの部門：
・ 南極天文・ 素粒子構造
・ クォーク・核物質

国際テニュアトラック助教
クロスアポイントメント教員

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宇宙史国際研究拠点（朝永センター）
目標： 素粒子・原子核・宇宙物理学の融合と、実験・理論の協調により、宇宙史の統一的理解
宇宙史の統一的描像の構築
質量起源・クォークグルオンプラズマ・銀河ブラックホール形成の包括的理解
暗黒物質・暗黒エネルギーの謎の解明

ヒッグス ・ニュートリノ・クォークグルオンプラズマ・ブラックホール・銀河形成を手掛かりとして国際共同研究の推進，研究拠点の形成••••

10-10 秒後
ヒッグス場の凝縮素粒子が質量を獲得
10-4 秒後クォークが結合して核子に１秒後宇宙背景ニュートリノ
１億年
第１世代天体4

5

2016年度＜南極天文部門＞(1) 南極１０mテラヘルツ望遠鏡の建設地
コンコルデイア基地（仏伊）＠ドームＣ○現地調査（2016年1月10日～2月13日）⇒ 望遠鏡の輸送・建設・運用の見込みが立つ（合意文書に）

研究室等→←食堂、娯楽室

寝室（１６室）→

←倉庫等

↓発電機棟

←作業室

入口

○フランス・イタリアの極地研究所・天文研究者との協議（2016年5月）⇒ どちらも高い関心と共同建設の意欲有。
日本側の望遠鏡予算が通れば、両国とも建設の準備を開始する。

(2) 南極３０m級テラヘルツ望遠鏡計画＠新ドームふじ基地○科学的意義の確立（南極天文コンソーシアム）、現地調査準備（気象測定等）、新基地の検討⇒「計画書」の作成へ → 宇宙電波懇談会と国立天文台で本格的な検討を開始予定

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素粒子構造部門 ヒッグス粒子研究

クォーク物質粒子
レプトン

力の伝達：
“ゲージ粒子”
電磁気力
強い力
弱い力
重力

相対論的な量子場の理論により定式化： 素粒子標準理論

2012/7/5

2013/10/8

ATLAS 実験の今後• ヒッグス粒子の精査 さまざまな性質の精密測定
 標準理論の予言する粒子？
 あるいは，似て非なるもの？

• 標準理論を超える新粒子・新現象の直接探索
 超対称性？
 余剰次元？ ブラックホール？
 暗黒物質粒子？

• より高い衝突エネルギー
2015年～

8 TeV  13/14 TeV• 高統計のデータで測定精度を向上
2022年～

物理解析：
検出器増強：

加速器増強

輝度 10倍データ量の増大高輝度環境への対応→ 解析手法・計算機環境→ 新型シリコン飛跡検出器
拠点・センターを超えた連携

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素粒子構造部門 2016
 LHC-ATLAS 実験 陽子・陽子衝突 CERN 研究所•••

Run-2実験継続 （2015 - ）重心系エネルギー 13 TeV
積分輝度 ~ 45 fb-1 瞬間輝度 1.4×1034 cm-2 s-1

ヒッグス粒子の精査
新物理の探索 ： 新粒子  Z Z？

他に：t t H 過程H  b b-bar
不可視粒子への崩壊や重いヒッグスの探索

質量 700 GeV/c2 付近に excess?
有意度 2 σ 程度，要確認

素粒子構造部門： ニュートリノ研究
ニュートリノ：
例えば，中性子の β 崩壊において生成される

 物質粒子のひとつ
 電荷を持たない 弱い相互作用のみ行う
長いこと質量が零であると思われてきたが，1998年にニュートリノ振動現象が確立→ 小さいながら，零でない質量を持つ 他の物質粒子と比べても格段に軽い
なぜ？ 特別な理由がある？
 質量が零でないことは判ったが，その絶対値は測定されていない
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宇宙背景ニュートリノ崩壊探索
 素粒子の質量がなぜ１１桁以上違うのか？
 同じ性質の（質量のみ異なる）粒子の繰り返し：
なぜ？
ニュートリノ質量の理解が先決
 まだ測定されていない
 質量二乗差 Dm2 はニュートリノ振動実験により既知

本事業：ニュートリノ崩壊を観測し，質量を決定
重いニュートリノ  軽いニュートリノ + 光子光子（赤外線領域）のエネルギーを測定→ ニュートリノ質量の決定W3,   322
 ニュートリノ： 寿命が長く、まれにしか崩壊しない。現在の寿命の下限 = 1012年
探索には大量のニュートリノが必要
加速器で作るのは不十分
宇宙に大量に存在するはずの 宇宙背景ニュートリノ が唯一の解宇宙論で予言されるが未観測  その観測は宇宙論検証の意義を持つ
ニュートリノ崩壊発見によるニュートリノ質量の測定
宇宙背景ニュートリノ の発見

それぞれがノーベル賞級の発見

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宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験・衛星実験
ロケット実験計画: ２０１９年に高度200 kmで５分間データ収集
ニュートリノ寿命が1014年以下なら観測可能。（現在の寿命下限は 3×101２年).
»超伝導トンネル接合素子 (STJ) 赤外線検出器を開発
50 Nb/Al-STJ ピクセルアレイと回折素子で遠赤外線エネルギー測定
遠赤外線望遠鏡

JAXA Rocket
CIB Experiment（Feb 2, 1992）

2020以降に衛星実験 → 寿命τ(ν3) ~1017年なら観測可能
˃Hf-STJ 赤外線検出器で衛星実験 ( S. H. Kim et al. JPSJ 81,024101 (2012)）
 𝚫 = 𝟐𝟎𝝁𝒆𝑽 : ハフニウムの超伝導エネルギーギャップが小さいので、回折格子なしでエネルギー測定。

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１． SOI-STJ: 筑波大, KEK, 産総研等との共同研究で, SOI（Silicon-On-Insulator)技術を用いた極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子STJを一体化したSOI-STJ検出器を開発中
Nb/Al-STJ素子

SOI読み出し回路+ SOI (Silicon-On-Insulator) 技術
MOSFET4Kで動作～50nm(by T. Wada (JAXA) et al. J. Low Temp Phys. 167 602 (2012)）+ SOI回路と一体化したSTJ検出器
Nb/Al-STJをSOI回路基板上に作成

FD-SOI -MOSFET
SiO2 絶縁膜上にMOSFETを形成→非常に薄いチャンネル層3K以下の極低温でも動作

2． Hf-STJ:
筑波大, KEK等との共同研究で, Hfを用いた超伝導トンネル接合素子
Hf-STJを開発中
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素粒子構造部門 2016 ニュートリノ崩壊の観測に向けた超伝導接合素子 STJ を用いた光検出器の開発•••

遠赤外線の単一光子測定を目標 （エネルギー分解能 数%）
STJ 検出器にて原理的に実現可能  実証・製作へ （産総研と共同）
極低温下の小信号の読み出し（低ノイズ化）が課題  SOI 技術の導入

極低温SOIアンプによるNb/Al-STJ 信号の冷凍機内増幅

ハフニウムを用いた超伝導トンネル接合素子の開発

産総研CRAVITY製20m角Nb/Al-STJの可視光パルス（465nm）に対する応答信号を同じく冷凍機内の極低温SOI増幅回路による読み出しに成功

ハフニウム酸化層の上に薄いアルミニウム層を用い，従来のHf-STJよりリーク電流密度を約1/16に低減に成功．
このサンプルで可視光パルス（465nm）応答を確認．

素粒子構造部門：超弦理論の研究
素粒子は点ではなく長さを持つ弦である• 重力の量子論
くりこみ理論が通用しない• 4つの力の統一
ヒグス粒子の質量を説明する○弦の場の理論○AdS/CFT対応を用いた強結合ゲージ理論の研究=数理物質融合科学センター

宇宙史国際研究拠点

クォーク・核物質部門
新たな物質相の研究
クォーク・グルーオン・プラズマ
Quark Gluon Plasma (QGP) 研究

臨界点

ハドロン相からクォーク相への相転移アメリカ合衆国、ニューヨーク郊外、ブルックヘブン国立研究所（BNL）、超相対論的重イオン加速器（RHIC）を使ったPHENIX実験

スイス・フランス国境のジュネーブ郊外、欧州共同原子核研究機構（CERN）、ＬＨＣ加速器を使ったＡＬＩＣＥ実験

筑波大学、計算科学研究センターの計算機システム：「HA-PACS」「COMA」等

QCD相図（Hadron-QGP相転移）温度

重イオン衝突における系の発展→

QCD臨界点探索

初期宇宙

LHC実験
初期光子

RHICビーム
エネルギー走査

化学的凍結
J-PARC, FAIR, NICA

相転移
熱力学的凍結中性子星

臨界点

バリオン密度Baryon density from beam energy scan,
20-200GeV Au+Au, RHIC-PHENIX,
arXiv:1506.07834

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クォーク・核物質部門

原子核A

高エネルギー重イオン衝突実験によるクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）研究
異方性の発展、膨張
jet

原子核B
p
クォークのQGP中でのエネルギー損失

p

Au

Au

透過プローブ熱光子

クォーク世代、質量依存性

u,d,s

小さな高密度系

u,d,sc,bc,bp0(surface)21
クォーク・核物質部門

クォーク核物質部門 2016年度

LHC加速器ALICE実験

J-PARC加速器での重イオン衝突による高密度領域研究
臨界点
揺らぎ測定

臨界点
ALICE Grid Tire−２
center @ 筑波大
筑波大(基盤S)により導入したDcal

SPS

RHIC

LHC

2019-2020 (BES-II @ STAR)

Beam Energy Scan II (BES-II)
RHIC加速器のSTAR実験
ビームエネルギー走査実験
による臨界点探索 (2019-2020)

Di-jet
事象Dcal楕円型膨張（v2）のビームエネルギー依存性宇宙史国際研究拠点の研究成果発表のまとめ（H2７年度）
論文 １５２件
国際会議報告 ４７件

国内研究会報告 ８６件（部門別）
南極天文部門
論文数 １３
国際会議報告数（国内研究会報告数） ８ （ ３１）

素粒子構造部門
論文数 １２２

国際会議報告数（国内研究会報告数） ２０ （ ２３）クォーク核物質部門
論文数 １７
国際会議報告数（国内研究会報告数） １９ （ ３２）23拠点の計画と体制• 光量子計測器開発推進室との連携• 宇宙史コンソーシアム• 宇宙史ワークショップ• 年次計画• 外部資金• 宇宙史プロジェクト（H28-H33概算要求採択)
宇宙史サロン• CiRfSE改組（H29年１０月）
宇宙史国際研究センター（朝永センター）設立

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光量子計測器開発推進室
センター共有の光量子計測機器開発基盤＋つくば地区連携大学拠点

筑波大およびつくば研究機関における理工学分野の密接な連携により、計測器開発に関する情報共有、計測器開発の融合共同研究、新しい計測器のアイデアの創出、計測器技術の産業社会応用を推進する。

数理物質融合科学センター (CiRfSE)
融合研究企画室

宇宙史国際研究拠点

環境エネルギー材料研究拠点

光量子計測器開発推進室
開発室員： 金（室長）、冨田、江角、原、西堀、近藤
超伝導検出器の開発，ＳＯＩピクセル検出器の開発，MPPC読み出しミュー粒子検出器等＋公募プロジェクト

TIA-ACCELERATE（TIA光・量子計測）における筑波大学の活動拠点。

２０１５/１０/１９ 発足

つくばの他機関との連携

TIA光・量子計測(TIA-ACCELERATE)KEK 測定器開発室
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産総研 ＣＲＡＶＩＴＹ施設

KEK,NIMS,筑波大,産総研,東大
宇宙史研究のための実験・観測に用いる計測器技術に関する情報共有を密にしながら、先端検出器の開発を推進。
南極望遠鏡や素粒子原子核実験・理論の大規模データ解析と逆問題推進室の連携も同様に推進する。

宇宙史コンソーシアム
筑波大を中心とするオールジャパンチームと海外研究所・大学が宇宙史の統一的理解を目指した素粒子・原子核・宇宙物理学の融合研究を推進。→ 宇宙史国際研究セクター
ソウル大

米国フェルミ研究所

欧州CERN研究所

S.B.Kim教授
ニュートリノ：超伝導検出器

E. Ramberg
ニュートリノ：エレクトロニクス

Y. Schutz (IN2P3/CERN)
ヒッグス、QGP：LHC加速器

福井大
吉田拓生教授ニュートリノ：遠赤外線源

関西学院大学松浦周二教授ニュートリノ：クライオスタット、
光学系

近畿大
加藤幸弘准教授
ニュートリノ：データ収集

産総研
大久保雅隆教授
ニュートリノ：超伝導検出器

D. Morrison
QGP： カロリメータ，ミューオン検出器

ドイツＧＳＩ研究所
筑波大学
金信弘教授、受川史彦教授、江角准教授、小沢顕教授
ヒッグス：シリコン飛跡検出器、QGP：カロリメータ
ニュートリノ：超伝導検出器、クライオスタット、エレクトロニクス
不安定核

C. Scheidenberger
不安定核

東京大
浜垣秀樹教授QGP：GEM-TPC

広島大
杉立徹教授
QGP：光子カロリメータ

岡山大
石野宏和准教授
ニュートリノ：超伝導検出器

米国ブルックヘブン研究所

KEK
JAXA/ISAS
和田武彦助教ニュートリノ：ロケット、クライオスタット、エレクトロニクス

新井康夫教授ニュートリノ：エレクトロニクス
ヒッグス：
シリコン飛跡検出器

理研
秋葉康之グループリーダー
QGP:：シリコン飛跡検出器
ニュートリノ：超伝導検出器
不安定核：ＲＩＢＦ加速器

第3回宇宙史ワークショップ
2016/9/17-18 国際会議TGSW2016 宇宙進化・物質起源セッション
国際会議 Tsukuba Global Science Week 2016 (TGSW2015)
宇宙進化・物質起源(Universe Evolution and Matter Origin)セッション
日時：
９月１７日 １３時３０分～1６時４０分 ９月１８日 ９時３０分～１２時３０分：
場所：
つくば国際会議場エポカル小会議室３０４
参加者： ４７名 （約１０名の外国 人研究者（招待講演者５名）を含む）
このセッションは、筑波大学数理物質融合科学センター宇宙史国際研究拠点が目指す、素粒子・原子核・宇宙物理学の融合による宇宙史の統一的理 解を飛躍的に推進させるために、多数の海外研究者を含めて宇宙史研究の情報交換と議論を行うことを目的として開催されました。
宇宙史コンソーシアムのソウル大学代表者等５名が招待講演者として参加。

プログラム等の詳細は宇宙史国際研究拠点ページをご覧ください。
http://hep.px.tsukuba.ac.jp/CiRfSE/RCHOU/TGSW/2016/

宇宙史国際研究拠点(朝永センター）研究年次計画

これら5実験は日本学術会議マスタープラン2014大型研究計画として採択。

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大型科研費・外部資金の獲得状況と計画
素粒子ニュートリノ
新学術領域「ニュートリノ」計画研究 （代表 金） Ｈ25～Ｈ29 7800万円
基盤(Ｓ)「宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験」（代表 金） Ｈ29～ 1.95億円
基盤(A)「読み出し回路一体型超伝導接合素子 SOI-STJ光検出器の開発」（代表 武内） Ｈ29～ 4610万円
ヒッグス
新学術領域「ヒッグス」計画研究 （分担 受川） Ｈ23～Ｈ27 5000万円
新学術領域「真空と時空」計画研究 （分担 受川） Ｈ28～H32 4200万円
原子核ＱＧＰ
日米科学技術協力事業「PHENIX実験」 （代表 江角） Ｈ23～ １億円
基盤（Ｂ）「グルオン衝撃波の探索」（代表 三明） H25～H28 1430万円
基盤（Ｂ）「ＡＬＩＣＥ実験前方光子検出器」（代表 中條） H25～H27 1911万円
日米「相対論的重イオン加速器を用いたクォークグルオンプラズマとQCDの相図の研究」（代表：江角）H29年度 1000万円
基盤(S)「LHC超前方光子で探るグルーオン飽和から高温クォーク完全流体への進化」（代表 中條）H29年度〜 2億円
基盤（S）「原子核衝突ビームエネルギー走査による高密度クォーク核物質の研究」（代表：江角）H29年度～ 1.7億円
宇宙観測
南極望遠鏡
基盤（Ａ） 「大規模電波カメラによる「あかり」北極域の掃天観測」 （代表 中井）Ｈ26～Ｈ30 3250万円
自然科学研究機構「分野融合型共同研究」「南極天文学の推進」(代表 中井）H29～H31 1500万円

宇宙史プロジェクト
概算要求： 宇宙史の暗黒を照らす国際研究拠点形成（平成２８－３３年度） 採択
教育研究活動（プロジェクト等）に係る事業費要求（新規事業）

宇宙史の暗黒部分の解明に向けて、筑波大学が主導する5つの大型実験プロジェクトとシミュレーション研究を融合。

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宇宙史プロジェクト
海外研究ユニット招致
ソウル大 S.B.Kim教授（宇宙背景ニュートリノ）
クロスアポイントメント教授
福井大 吉田拓生教授（宇宙背景ニュートリノ）
KEK 池上陽一准教授(ヒッグス粒子精査）
KEK 小沢恭一郎准教授(QGP物性）埼玉大 山口貴之教授(元素合成）

研究員
武政健一（宇宙背景ニュートリノ）
水野三四郎（QGP物性）高水裕一（宇宙シミュレーション）
齋藤弘雄 （南極天文学）

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第1回宇宙史サロン【日時】 2016年12月12日(月) 15:15-17:45【場所】 自然 B118
【ホームページ】http://hep.px.tsukuba.ac.jp/CiRfSE/RCHOU/【プログラム】(各講演は10分の議論時間を含む)
15:15 - 15:45 金谷和至 「宇宙史プロジェクトの概要」
15:45 - 16:25 水野三四郎 「高エネルギー原子核実験における直接光子を用いたQGP研究」
16:25 - 15:05 武政健一 「宇宙背景ニュートリノ崩壊探索COBAND実験とその超伝導光検出器開発」
15:05 - 17:45 高水裕一 「初期宇宙における物理定数の選択と泡宇宙モデル」【参加者数】22人
宇宙史プロジェクト内での素粒子・原子核・宇宙分野間および実験・理論間の連携を深めていくために、宇宙史サロンを定期的に開催。
宇宙史国際研究拠点に新しく入ってきた研究員・助教を核にして、互いの分野の研究内容を報告して、議論を行うことによって、新たな連携を生み出す。
第１回 宇宙史サロンでは、22名の教員・学生が参加し、宇宙史プロジェクト内の研究の説明がおこなわれ、それにつづいて活発な議論がなされ、連携を推進するための意義深いものとなりました。
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宇宙史国際研究センター（朝永センター）設立
CiRfSE改組（H29年１０月）
CiRfSE宇宙史国際研究拠点の活動が順調に進展↓
CiRfSE改組・再編によるセンター化（当初計画より前倒しスタート)

宇宙史の暗黒部分の解明に向けて、素粒子・原子核・宇宙分野の筑波大学が主導する5つの大型実験プロジェクトと理論シミュレーション研究を融合。→ 宇宙史研究の発展33

年次計画34

2017年度の組織体制35