2015年ノーベル物理学賞の生まれたところ〜ニュートリノ振動の発見とこれから〜

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

•神岡の実験に携わっています。素粒子実験屋•統一理論が好き
マクセル方程式@⌫ Fµ⌫ = Jµ

電気の力

磁気の力

電磁波

光学

いつか
『素粒子の統一、力の統一』方程式を見つけたい 22015年ノーベル物理学賞
梶田隆章宇宙線研究所教授

Copyright © Nobel Media AB 2015

Copyright © Nobel Media AB 2015

受賞理由：「ニュートリノが質量を持つことを示す、ニュートリノ振動の発見」
3

半分

半分10cm

クイズ

1回

2回

...
.... ？回

問題：何回,「半分」に分けられる？
答え：（あ）何回でも（い）３０回
4素粒子の仲間
人 1m

水分子10-10m

原子10-10m
電子

原子核
10-14m物質の最小単位は２種類 10-15m1.u型、d型 クォーク
（３＋３個）
2.ニュートリノ、電子グループ（３＋３個）

性子子

陽

中クォーク
ニュートリノ5

氷の結晶

アイスフラワー

氷に強い光をあてると、氷は表面だけでなく内部からもとけ、氷の中に雪の結晶のような形ができる。
写真と文章：中谷宇吉郎

雪の科学館ホームページより

水の分子→氷の六角形結晶、六方向にとけやすい→アイスフラワー
6素粒子と宇宙•宇宙線：宇宙から降る素粒子•スーパーカミオカンデ：宇宙線（大気）ニュートリノを捕まえて、質量の発見•宇宙は素粒子でできている•素粒子の研究は、宇宙の進化、運命、人間の誕生などの理解にもつながる•宇宙（星）を見る•光：天文学（ 可視光、マイクロ波、赤外線、X線、ガンマ線）•ニュートリノ：スーパーカミオカンデ、カムランド•重力波：カグラ

7ν

ニュートリノ：幽霊粒子...

地球を数万個（E〜1GeV）

調べるのが難しく、まだよくわかっていない粒子
8

宇宙の中での素粒子の数ν

電子0.1個／m3

陽子0.1個／m3

中性子0.01個／m33300,000,000個／m
宇宙はニュートリノで満ちている。

ただし、このビッグバンの残骸のニュートリノは、エネルギーが小さすぎて観測できていない。
9ν

ニュートリノ：数Sun

Supernova

10

νは天体内部を見る”光”

X線（レントゲン）：体の内部の様子を見る
ニュートリノ：太陽中心部の核融合、超新星爆発内部やブラックホール誕生の瞬間
11ν

ニュートリノ：まとめ•小さい（原子よりも）•なんでも突き抜ける（まれにぶつかる）•宇宙はニュートリノだらけ•星や人類の誕生にも関わっているかも•星の内部を見る”光”•わからないことが多い素粒子12スーパーカミオカンデ実験（第二世代）

13

スーパーカミオカンデ実験
岐阜県 飛騨市 神岡町

池の山~1,000メートル

スーパーカミオカ
ンデ（地下）
SK

入り口
トンネル
14

totalIkeno-yama

1km

Kamioka-cho, Gifu (2700mwe)
niv. of TokyoJapan
3km2km MC

11/3/11

MozumiSK

15

energy threshold
SK-I: April 1996~
SK-IV is running

SKAtotsu

PMT: ~11100 (SK-I,III,IV), ~5200 (SK-II)) PMT: 1885
XIV International Workshop on Neutrino Telescopes (2011)

317

スーパーカミオカンデ
17

5万トンの水槽を地下1000メートルに建設。
ニュートリノが水と反応した際に出る光をセンサー1万個で捉える。
15高感度光センサー•光のつぶ一つも見える、高感度さ.
•直径50cm（世界最大）.
16ニュートリノのつかまえ方

ニュートリノが（まれに）水と衝突
すると、弱い光の輪ができる。これを光センサーでつかまえる。
17スーパーカミオカンデの実験目的
大気ニュートリノ•大気ニュートリノ観測•太陽ニュートリノ観測•超新星爆発ニュートリノ観測•暗黒物質からのニュートリノ探索•陽子崩壊の探索

リノ

リノートニュ

リノニュートンパイオ

大気原子核パイオン
ミューオン 電子ニュート

太陽ニュートリノ
4陽子 + 2電子→ヘリウム + 2ニュートリノ + 熱

宇宙線陽子

超新星爆発ニュートリノ
巨星の最後
Supernova

Sun

陽子の陽電子とパイオンへの崩壊
ン
レプトクォーク18

大気ニュートリノ
宇宙線陽子
宇宙線陽子
大気原子核

パイオン

リノート

ニュ
リノート

電子

ニュの数は、上からと下から

ン

リノ

装置に降るニュートリノ

ーオニュートパイオン

ミュで同じはず.
飛行する距離は違う.
19

観測データニュートリノと水の衝突による光衝突なし

電子型ニュートリノ ミュー型ニュートリノ
ν電子

νミュータウ型ニュートリノνタウ

20

スーパーカミオカンデの開始前•大気ニュートリノ問題：カミオカンデでミュー型ニュートリノが期待数の約半分しか観測されなかった.

•海外の複数の実験では、大気ニュートリノは期待通りに観測されたと発表. 矛盾.

•多くの理論物理学者はカミオカンデの結果に懐疑的.
•他の素粒子に比べて極端に小さな質量（電子の100万分の1程度の）が必要.
•暗黒物質としても軽すぎる.
例えると：友達と違う意見、先生も信じてくれない.
皆さんならどうします？
21

日本のニュートリノ研究者の行動
大気ニュートリノが足りないぞ. どうやっても間違いが見つからない.

スーパーカミオ
カンデを作って確認
しなければ

戸塚 洋二

中村 健蔵

梶田 隆章

太陽ニュート
リノで調べよう鈴木 洋一郎

鈴木 厚人

原子炉
ニュート
リノを捕まえる装置を作って調べよう

加速器で作った
ニュート
リノで調べよう西川 公一郎22

スーパーカミオカンデ装置の建設

1991~空洞掘削
PMT signal-in!

PMT signal-in!

1995~電子回路設置
Event counter in(8bit)!

1994~水槽工事
塩澤

1995~光センサー取り付け
戸塚さん（実験リーダー）

Trigger-in Calibration signal-in!
HITSUM-out PMTSUM-out!

1995~注水

1996.4.1観測開始！
23

期待数（振動なし）
期待値（振動あり）
データνこのデータからわかること•下向き（cosΘ=1）でニュートリノ飛行距離~10kmでは期ν

待通りの数が観測ν

ミュー型ニュートリノ数

スーパーカミオカンデの観測結果•上向き（cosΘ=-1）で飛行距
離~13,000kmでは期待の半分しか観測されず•ニュートリノ振動が起きている世界初の証拠！

ニュートリノの方向
1:真下, 0:真横, -1:真上
24

結果の報告（論文）VOLUME 81, NUMBER 8

PHYSICAL REVIEW LETTERS

24 AUGUST 1998

Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos「ニュートリノが振動する証拠」

Y. Fukuda,1 T. Hayakawa,1 E. Ichihara,1 K. Inoue,1 K. Ishihara,1 H. Ishino,1 Y. Itow,1 T. Kajita,1 J. Kameda,1S. Kasuga,1 K. Kobayashi,1 Y. Kobayashi,1 Y. Koshio,1 M. Miura,1 M. Nakahata,1 S. Nakayama,1 A. Okada,1K. Okumura,1 N. Sakurai,1 M. Shiozawa,1 Y. Suzuki,1 Y. Takeuchi,1 Y. Totsuka,1 S. Yamada,1 M. Earl,2 A. Habig,2E. Kearns,2 M. D. Messier,2 K. Scholberg,2 J. L. Stone,2 L. R. Sulak,2 C. W. Walter,2 M. Goldhaber,3 T. Barszczxak,4D. Casper,4 W. Gajewski,4 P. G. Halverson,4, * J. Hsu,4 W. R. Kropp,4 L. R. Price,4 F. Reines,4 M. Smy,4 H. W. Sobel,4M. R. Vagins,4 K. S. Ganezer,5 W. E. Keig,5 R. W. Ellsworth,6 S. Tasaka,7 J. W. Flanagan,8, † A. Kibayashi,8J. G. Learned,8 S. Matsuno,8 V. J. Stenger,8 D. Takemori,8 T. Ishii,9 J. Kanzaki,9 T. Kobayashi,9 S. Mine,9K. Nakamura,9 K. Nishikawa,9 Y. Oyama,9 A. Sakai,9 M. Sakuda,9 O. Sasaki,9 S. Echigo,10 M. Kohama,10A. T. Suzuki,10 T. J. Haines,11,4 E. Blaufuss,12 B. K. Kim,12 R. Sanford,12 R. Svoboda,12 M. L. Chen,13 Z. Conner,13, ‡J. A. Goodman,13 G. W. Sullivan,13 J. Hill,14 C. K. Jung,14 K. Martens,14 C. Mauger,14 C. McGrew,14 E. Sharkey,14B. Viren,14 C. Yanagisawa,14 W. Doki,15 K. Miyano,15 H. Okazawa,15 C. Saji,15 M. Takahata,15 Y. Nagashima,16M. Takita,16 T. Yamaguchi,16 M. Yoshida,16 S. B. Kim,17 M. Etoh,18 K. Fujita,18 A. Hasegawa,18 T. Hasegawa,18S. Hatakeyama,18 T. Iwamoto,18 M. Koga,18 T. Maruyama,18 H. Ogawa,18 J. Shirai,18 A. Suzuki,18 F. Tsushima,18M. Koshiba,19 M. Nemoto,20 K. Nishijima,20 T. Futagami,21 Y. Hayato,21, § Y. Kanaya,21 K. Kaneyuki,21Y. Watanabe,21 D. Kielczewska,22,4 R. A. Doyle,23 J. S. George,23 A. L. Stachyra,23 L. L. Wai,23,
R. J. Wilkes,23 and K. K. Young23(Super-Kamiokande Collaboration)
1

Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Tanashi, Tokyo, 188-8502, Japan2
Department of Physics, Boston University, Boston, Massachusetts 02215
3Physics Department, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 11973

25

科学的知識は人類に共有される•報道で発見が伝えられる.
•クリントン大統領がMIT大学でニューヨークタイムスの演説で、発見にふれる.
クリントン大統領演説•教科書に載る.→多くの学生に伝わる.
26

ニュートリノ振動（簡易版）
2
⎛
⎞
m×
T
22P(ν µ → ν µ ) = 1− sin 2ϑ 23 sin ⎜⎟⎝ 4E ⎠

27

ニュートリノ振動
ミュー型ニュートリノがミュー型ニュートリノである確率

質量

時間

2
⎛
⎞
m×
T
22P(ν µ → ν µ ) = 1− sin 2ϑ 23 sin ⎜⎟⎝ 4E ⎠

エネルギー28

振動と質量の関係
1. 質量がゼロでない場合→変化する

ニュートリノの割合 [%]

νν

ν

タウ型

ミュー型

時間×光速＝飛行距離[km]ニュートリノの割合 [%]2. 質量がゼロの場合（m=0）→変化しない
ミュー型
タウ型
時間×光速＝飛行距離[km]変化（振動）を観測→ニュートリノに質量がある証拠！
29

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**2P(! " ! ! # ) = $"# " 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30

ニュートリノ振動の発見の意味•ニュートリノは、極端に小さな（電子の100万分の1程度の）質量を持つ. その理由は理解されていない.

•ニュートリノのユニークな性質（質量など）は、次世代の素粒子理論への突破口になると期待されている.

•宇宙の進化の過程で、ニュートリノが粒子（物質）と反粒子（反物質）のバランスを崩した可能性.

ニュートリノは、素粒子と宇宙を理解するための、重要な鍵となった.
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