ハイパーカミオカンデ計画〜ニュートリノ研究の次の挑戦〜

塩澤眞人

東京大学 宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設
東京大学 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構
2018年7月14日、オープンカレッジ in 飛騨 20181

素粒子とは何か？
物質の最小単位
デモクリトス（アトム）
アリストテレス（火、空気、水、土）（現代の）素粒子の研究
ニュートリノ1930年パウリ予言•なにが？
1959年ライネス・コーワン発見•どのように？ 極めて軽い質量 1998年スーパーカミオカンデ•なぜ？（必然性）

まだわかっていない

宇宙の誕生、進化、生命の誕生の理解

2反粒子•1928年ディラック方程式•E2 = (mc2)2 + (pc)2 （静止（p=0）ではE=mc2)•２つの解：E2=100なら、E=10とE=-10•マイナスのエネルギーの解→反粒子の予言•全ての素粒子には、反粒子がある•重さや寿命は一緒で、”電荷”のプラスマイナスは逆•1932年

宇宙線の中に陽電子を発見（アンダーソン）
クォーク
電子
ニュートリノ反クォーク
反電子（陽電子）
反ニュートリノ
3

消えた反粒子の謎
物質（原子）

反物質（反原子）

電子

反電子

中

陽性
中

陽性

子

子子子

反反クォークニュートリノ

反クォーク
反ニュートリノ4

宇宙のはじまり今138億年前
νν
ν

ν

ν νν
ννν
ν

ννν

ν
ν

我々は生まれない。何かがおかしい。

5

今宇宙のはじまり138億年前
νν
ν

ν

ν ν
ν
ννν
ν

ν

ν
ν

ν
ν

ニュートリノが物質（粒子）物質（粒子）が残った！

をわずかに増やした可能性が我々の種はニュートリノ提案されている。

かもしれない。

ただしニュートリノと反ニュートリノの法則の違い（CP対称性の破れ）が必要

6

νは物質優勢宇宙を理解する鍵•物質優勢宇宙にはCPを破る素過程の存在が必要（サハロフの条件）•唯一知られているCP非保存はクォーク（小林益川理論）→物質優勢宇宙を説明す
宇宙の中の素粒子の数るには足りない光

ニュートリノ10•レプトン（ニュートリノ）は宇宙に10大量に存在し、物質優勢を説明する

10•レプトン（ニュートリノ）のCPの破個／cm3

最有力候補

101010億倍

10101010
陽子れの測定が緊急課題

電子中性子

6

暗黒物質

7

スーパーカミオカンデ実験（第二世代）

8

最初の発見:大気ニュートリノの振動（sin2θ23~1）•1998年、上向きのνμが半分しかない事を発見した。

•ニュートリノ振動の発見。

•ニュートリノの質量の発見。

ニュートリノ振動
Mass eigenstate

Flavor eigenstatett(! e, ! µ , ! " ) = U!MNS(!1, ! 2 , ! 3 )i! ! $ ! cos#12
# e & #
# ! µ & = # 'sin # 12#&# ! " & ##0"% "sin # 12cos# 12
0

UMNS: Maki-Nakagawa-Sakata Matrix!
0 $# cos# 13&0 &#0#&i$
1 &%# 'sin # 13e"$0 sin # 13e'i$ &! 10#&# 0 cos# 23
10&0cos# 13 &## 0 'sin # 23%"$! ! $
0&# 1 &sin # 23 &# ! 2 &&&#cos# 23 &%#" ! 3 &%22(m"mji )L**2
P(! " ! ! # ) = $"# " 4# Re(U"iU #iU"iU # j )sin
4E!
j>i(ー)(ー)22(m"mji )L**( )! 2# Im(U!iU "iU!iU " j )sin
2E#j>i

ニュートリノは三種類
νe(電子型), νμ(ミュー型), ντ(タウ型)
スーパーカミオカ
ンデ開始前は７個全ての値がわかっていなかった

実験で調べるパラメータは：
θ12, θ13, θ23, δ, m1, m2, m3
CPの破れのパラメータ10全ての粒子と反粒子を入れ替える

CP対称性の破れ

振る舞いの違いから、どちらが粒子でどちらが反粒子か区別できる「CPの反転」をした時に「区別がつく」→ νnies) 3−2 ϑP(2νnµis→ν)=
1/8cos
ϑsin
2
ϑsin
2
ϑsin
2
P(→ν)
P(−P(νν→→νν)−)
P(=1ν/8cos→νϑ)=s1ϑ2nisϑsoc8/1=)
ν
→
ν(P−)
νe
13
1223µeµµeeµe
132131eµe
CP反転振動の大きさの違いは、以下に比例→ ν e ) = 1 / 8cos ϑ 13 sin 2ϑ 12 sin 2ϑ 23 sin 2ϑ 13 sin δ

CP対称性の破れ（sinδの大きさ）をニュートリノ振動を使って調べるのは、θ12,θ23,θ13全てが大きい時のみ可能

112つ目の発見:
太陽ニュートリノの振動（sin2θ12~0.9）•2001年、太陽中心の燃焼反応からのνeも振動している事が確かめられた。

3つ目の発見:
加速器ニュートリノの振動（sin2θ13~0.3）
T2K実験•2012年、加速器で作るνμビームからνeへの振動を捉えた。3つ目（最後）の振動モードの発見！！！

→ νnies) 3−2 ϑP(2νnµis→ν eµ)n→=is13ν1/eϑ8cos
sin
2(→ϑ 23P()sP(−oP(→−P(=sin1νµ /νµ8cos
ϑcν8ϑ=ν)e2νe)νϑ
P−ν)sin
ν=2s1
12µν/13µ1 →e )→e e)1321 ϑ2
CP反転
振動の大きさの違いは、以下に比例→ ν e ) = 1 / 8cos ϑ 13 sin 2ϑ 12 sin 2ϑ 23 sin 2ϑ 13 sin δ~ 1 x 0.9 x~ 0.27 x sinδ1x 0.3 x sinδCPの破れを測る条件が成立した！
ただし、より高性能の実験装置が必要→ハイパーカミオカンデ計画

14スーパーカミオカンデの発展
スーパーカミオカンデ
SK

ハイパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデ
SK

次世代の大型実験装置計画： スーパーカミオカンデの改造
反物質が消えた謎や陽子崩壊 による超新星爆発ニュートリノ観測
発見に取り組む15

ハイパーカミオカンデ実験（第三世代）

16

J-PARC 大強度加速器による高品質ニュートリノビーム

大気超新星爆発太陽

写真提供：JAEA/KEK J-PARCセンター

ニュートリノハイパーカミオカンデ装置
スーパーカミオカンデの約10倍の有効質量と2倍の光感度

陽子の崩壊

総質量 26万トン
有効質量 19万トン

新型光センサー（従来の2倍の感度）4万本

水槽（超純水）直径74m × 高さ60m

17ハイパーカミオカンデ計画
池ノ山

N

地下1000m

SK

二十五山
地下650mHK
国道41号

2019年度着工
2026年度実験開始を目指し、予算要求中
神岡町市街地18

大強度陽子加速器

J-PARC

大強度ニュートリノビーム生成施設
現在の~3倍に増強

19

ニュートリノ•ニュートリノは宇宙が物質（反物質でなく）からできて反物質いる原因か？

物質•ニュートリノのCP対称性の破れ（粒子と反粒子の違い）の測定が理解の鍵•ニュートリノの性質の背後にある新物理•極端に軽い質量のわけ（新しい物理）はわかっていない. 未測定の性質も含め、さらなる高性能実験が必要.

1,000,000 個
ニュートリノ
電子1個

20

ニュートリノ天文学•天体内部を見る•超新星爆発の内部•人類や星の原材料を宇宙に放出する役割•巨大な星の重力に反して爆発できる仕組み？
•ブラックホール・中性子星誕生の瞬間を捉える•超高温・高密度での物理の研究なども•太陽内部でのエネルギー生成反応•地球内部も21

素粒子及び力の統一理論•素粒子に働く力は一つ•強い核力、弱い核力、電磁気力は同じ仲間•素粒子のグループは一つ•クォーク、電子、ニュートリノは同じ仲間•陽子がより軽い電子などに壊れる現象を予言する…

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陽子が壊れることが見つかると•大統一理論•素粒子の統一、力の統一•宇宙（物質）は永遠ではない•全ての星も人間も、消滅する運命•物質不滅の法則にも反する
ハイパーカミオカンデで発見を目指す
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まとめ•ニュートリノと陽子崩壊は、素粒子と宇宙の理解の鍵•日本（神岡）は世界のニュートリノ・陽子崩壊研究の中心•ハイパーカミオカンデでさらなる発見を目指す•ニュートリノが全ての物質の種の可能性（反物質が消えた謎）•陽子崩壊と統一理論、宇宙の運命•ニュートリノを使った宇宙観測•他
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