200■研究紹介

原子炉 θ13 実験 DoubleChooz

東北大学ニュートリノ科学研究センター

末 包 文 彦on behalf of KASKA/DC グループ
2007 年 12 月 3 日

1.

はじめに

2.

ニュートリノ振動の物理

現在ニュートリノの実験的研究においてもっとも重要な

ニュートリノ振動に関しては[1],[2]に詳しく説明されて課題の一つは，これまで有限値が測定されずに残っているいるため，ここでは少し別の視点からニュートリノ振動を

最後のニュートリノ振動角 θ13 の測定である。われわれ

ながめてその測定の重要性を考えてみる。まず簡単のため，

KASKA グループは，2003 年より世界最大出力の柏崎刈羽

ニュートリノの種類は 2 種類であり，ニュートリノは静止

原子力発電所で行う θ13 測定実験を提案し R&D を行った。

している場合を考える。ニュートリノは弱い相互作用しか

参考資料[1]を書いた当時は，世界に 7 種類の原子炉 θ13 計画

しないため，われわれが作ったり検出したりするニュートがありお互いにしのぎを削っていた。それから 3 年たち，

リノはフレーバー固有状態； νe , ν μ である。一般に素粒子

現在は 3 実験が予算化され，2009 ∼ 2010 年頃の実験開始をに質量があるということは，自分自身に変換する振幅が存目指し建設準備が進んでいる。われわれ KASKA グループ

在することである。まずニュートリノに，図 1 のように自も諸般の事情により，昨年秋よりフランスでの原子炉実験

分自身に変換する効果が存在し，その振幅の大きさを me ,DoubleChooz（以下 DChooz と書く）にいったん合流する

mμ とする。

ことにした。DChooz 実験は，これまでもっとも厳しい θ13 の上限値（ sin2 2θ13 < 0.15 @ 90% C.L. 以下同様）を出している
Chooz 実験の後継実験である。DChooz はベースラインが
図1

振動が最大になる距離に比べ若干短いものの，Chooz 実験

自分自身への変換で使用された地下実験室をそのまま利用することができる
ため，少ない費用ですばやく θ13 の測定を始めることができ

次に図 2 のように何らかの理由で νe ⇔ ν μ のように，フレる 。 2009 年 前 半 に デ ー タ 収 集 を 開 始 し ， 2010 年 にーバーが変化する効果が存在する場合を考え，その振幅のδ sin2 2θ13 = ±0.06 ，2012 年には δ sin2 2θ13 = ±0.03 の精度で大きさを A と書く。

の測定を行う。いよいよ θ13 の高精度探索が始まることになる。
われわれ日本グループは，この中で，光電子増倍管シス
テム，データ収集・モニターシステム，光電子増倍管のシ

図2

フレーバーが変化する変換

ミュレーションなどを担当し，1 年半後に迫ったデータ収集開始をめざして忙しく働いている。

この場合，ニュートリノの運動（状態）方程式は，⎪⎧⎪i νe = me νe + Aν μ⎨⎪⎪i ν μ = m μν μ + Aνe⎪⎩201となる。A が 0 でない場合， νe , ν μ は質量の固有状態ではといった量の測定となる。 m μ + me = m1 + m2 に注目するなくなる。そこで，図 3 の 3 角形のように，角度 θ を定義と，質量の平均値が分かれば， mμ , me , A を独立に決定すすると，ることができる。その意味でニュートリノ振動の測定は，ニュートリノ質量の直接測定と相補的な重要性を持つ。
次にこの変換の原因となる可能性を考えてみる。もしニュートリノが，クォークと同様に Higgs ポテンシャルと相互作用を行う場合，この Higgs が， d ⇔ s の変換を起こすのと同じように，ニュートリノフレーバーを変える性質を持つと考えられる（図 4）。
図3

フレーバー変換の振幅の 3 角形⎧⎪ν1 ≡ cos θ νe − sin θ ν μ⎪⎨⎪⎪ν2 ≡ sin θ νe + cos θ ν μ⎩という状態が満たす運動方程式は，

図4⎧i ν = m1ν1
⎪
⎪ 1
⎨
⎪
i ν = m 2ν 2⎪
⎩ 2

Higgs によるニュートリノフレーバー変換

しかしニュートリノの場合，この結合定数に関係する質量はクォークや荷電レプトンのそれに比べ異常に小さいので，となる。ただし，m μ − me ⎞m − me ⎞1⎛⎟⎟ , m1 = 1 ⎜⎛m μ + me − μ⎟⎟m2 = ⎜⎜m μ + me +
⎟
⎜
⎝
⎠
⎝
2
cos 2θ
2
cos 2θ ⎟⎠この描像は不自然であると考えられている。しかし，もしニュートリノがマヨラナ粒子ならば，Higgs との結合は，図5 のような形になる。

このことから， ν1 , ν2 はそれぞれ m1 , m2 の質量を持つ質量固有状態であることが分かる。つまり先に定義した θ は，
いわゆる「混合角」に対応していたことになる。このように，一見別物に見える質量と混合角というパラメータは，フレーバー間の変換（自分自身への変換も含めて）の振幅

図5

マヨラナの場合のニュトリノ-Higgs の結合の組み合わせとして統一的に理解される。
今のようにニュートリノが静止している場合，ニュート
リノ振動の確率は，

この場合，結合のしかたが違うので，その質量がクォークや荷電レプトンのそれと大きく異なっていても不思議ではP (νe → ν μ ) = sin2 2θ sin2

Δm
t;
2

Δm = m2 − m1になる。実験的に測定されるパラメータは， sin2 2θ と Δm
であり，もとのフレーバー変換の振幅とは，次のように関係づけられる。

なくなる。このようにニュートリノの質量や混合の大きさを測定することは，新しいアイデアを導入する動機付けになりうる。
粒子の種類の変換が外部からの影響ではなく，自発的に起きる例として， K 0 − K 0 振動や中性メソンの混合を考え⎪⎧⎪m μ − me = Δm cos 2θ
⎨⎪⎪A = Δm sin 2θ
⎪⎩てみる。この場合，粒子の種類を変える変換は，図 6 のよ
うにそのメソンを構成するクォークの反応によるものであった。

ニュートリノ振動の物理は，このようにフレーバー間の変換の振幅を測定して，その原因を追求することにある。
実際の実験環境ではニュートリノは相対論的に運動しており，ニュートリノ振動の確率は次のように表される。
P (νe → ν μ ) = sin2 2θ sin2

Δm 2
L;
4E

Δm 2 = m22 − m12

この場合，⎧⎪ m μ2 − me2 = Δm 2 cos 2θ
⎪⎪⎨⎪⎪A(m μ + me ) = Δm 2 sin 2θ
⎪⎩

図6

K 0 ⇔ K 0 変換， uu ⇔ dd 変換（vector meson の場合）の原因202
この混合のため，われわれが観測する質量固有状態は，(5) KamLAND 実験から θ12 を出すためには θ13 を知ること

0

K L , K S , ρ , ω など元の状態の混合状態として現れることになる。もしかすると，ニュートリノの混合もこのようなが必要。
などが考えられる。

内部構造の何らかの現れかもしれない。
いずれにしても混合の原因の詳しい検討を行うためには，
ニュートリノ振動実験を行い，まずすべての変換の振幅の情報をできるだけ知っておくことが重要である。
現在のニュートリノの混合行列は，これまでの測定によ

3.

原子炉ニュートリノによる精密 θ13 測定

これも[1]，[2]に詳しく説明されているので，ここでは要点だけを述べる。 θ13 の測定は，加速器実験にしても原子炉
2/(2π) の場所で行う。この時，こ実験にしても E / L ∼ Δm13

り，おおよそ⎛ν ⎞⎟ ⎜⎛ 0.8
0.5 s13e iδ ⎟⎟⎞⎛⎜νe ⎟⎞⎜⎜ 1 ⎟ ⎜⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟⎜ ⎟⎟ ⎜⎜
0.7 ⎟⎟⎜⎜ν μ ⎟⎟⎟⎜⎜⎜ν 2 ⎟⎟⎟ ∼ ⎜⎜−0.4 0.6⎟⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜⎜⎟⎜ ⎟⎝⎜ν 3 ⎠⎟⎟ ⎜⎝ 0.4 −0.6 0.7 ⎟⎟⎠⎝⎜ν τ ⎟⎟⎠れまでの実験結果を総合すると，3 種のニュートリの間の
s13 = sin θ13 < 0.2

振動確率は図 8 のようにまとめられる。

であることが分かっている。この θ13 を測定することがDChooz 実験の目的である。 θ13 を測定することにより，ニュートリノ混合の大きさがすべて決定できることになる。
ニュートリノの質量の絶対値が分からないとフレーバーの変換の振幅は分からないが，m1

m2 < m 3 の場合を考える

22, Δm23の値から，フレーバー間のと上の混合行列と Δm12

変換振幅が図 7 のようであることが分かる。

図8

2E / L ∼ Δm13/(2π) での 3 種のニュートリノ間の振動確率

第 2 項の前の正負記号は反ニュートリノの場合反対になる。

T2K など加速器実験による θ13 測定では，ν μ → νe の測定を行うため，この 3 角形の右上辺を測定していることになる。
θ13 が小さいことが分かっているため，第 2 項は無視することができない。そのため， δ の不定性が邪魔をして，加速器実験で θ13 を決定することは難しい。さらに，加速器実験による θ13 の決定には， θ23 縮退問題，物質効果の不定性の問題などもあり[1],[2]，図 9 のように大きな不定性が内在する。仮に PA(ν μ → νe ) = 0.03 と正確に測定されたとしても
sin2 2θ13 = 0.03 ∼ 0.12 と 不 定 性 は 大 き い 。 ま た 逆 に
図7m1

m2 < m 3 の場合のニュートリノ間の変換の振幅
逆方向への変換は複素共役になる。

PA(ν μ → νe ) < 0.005 という上限値が得られたとしても，θ13に関しては， sin2 2θ13 < 0.03 という上限値しか得られない。
これは DChooz の感度と同程度である。一方原子炉実験でs13 は， νe ⇔ ν μ , ν τ の変換の振幅に大きく関係していたこは， νe の欠損を測定するため， νe → ν μ と νe → ν τ の確率とになる。 s13 が 0.1 より小さい時（ sin2 2θ13 が 0.04 より小を加えたものを測定していることになる。この場合，上のさい時）， νe ⇔ ν μ , ν τ の変換の振幅の虚数成分が実数部分3 角形の右上辺と右下辺の確率を加えるため，うまく不定より小さくなり，ニュートリノ反応での CP 非保存効果は成分が相殺し，

小さ過ぎて測定が難しくなる。そのため，この感度で s13 を

PR (νe → νe ) = 1 − sin2 2θ13

探索することは非常 に重 要 である 。後 に 述べる ようにだけが残ることになる。そのため原子炉実験は，T2K など

DChooz 実験の実験感度はちょうどこのオーダーになって加速器実験では不可能な sin2 2θ13 の直接測定を行うことがおり，将来の実験での CP 非保存効果の検出可能性を知るできる。なお，SuperKamiokande, K2K, MINOS などによために重要な測定であることがわかる。

る θ23 の測定はこの 3 角形の左辺と小さい右上辺の和を測定

θ13 測定の重要性を簡単にまとめると，(1) ニュートリノ混合の大きさをすべて決定できる。
(2) CP 非保存パラメータの測定可能性を決定づける。
(3) 質量階層性の解決可能性に関係する。
(4) ν μ − ν τ の非対称性に関係する。

していることになる。
原子炉の中では，ニュートリノは核分裂片の β 崩壊により生じる。核分裂あたり，平均 6 回の β 崩壊が生じ，200 MeV のエネルギー解放があることから，発生するニュートリノの数は簡単に計算できる。熱出力 3GW の平均的な原子炉は 15 分でアボガドロ数個のニュートリノを発生

203
していることになる。原子炉ニュートリノのエネルギーは原子核の β 崩壊の典型的なエネルギーである数 MeV である。 θ13 測定のための原子炉ニュートリノの検出は，ガドリニウム（Gd）入りの液体シンチレーターを使用することが一般的である。原子炉ニュートリノ（ νe ）が液体シンチレーター中の陽子と逆ベータ崩壊反応を起こすと，陽電子と中性子が発生する。

は深かった。

DChooz 実験では，Far 検出器の実験場所は，昔の Chooz
実験で使用した実験室を少し拡張して使用する。
コラボレーションは，フランス，ドイツ，イギリス，ス
ペイン，日本，アメリカ，ロシア，ブラジルの 8 ヵ国からの約 150 名からなる（図 11）。スポークスマンは，フランス APC-IN2P3 の Herve de Kerret 教授（写真では，前列左νe + p → e + + n
この陽電子が発生する信号を prompt 信号とよび，ニュートリノのエネルギーから 0.8 MeV を差し引いたエネルギー端）で，非常に穏やかでよく気を使う人物である。グルー
プの雰囲気もなかなかよい。

となる。一方，反応により発生した中性子は，周囲の陽子

日本は，東北大学，新潟大学，首都大学東京，東京工業と弾性散乱をくりかえして熱中性子化した後，prompt 信号

大学，神戸大学，東北学院大学，広島工業大学，宮城教育から平均 30 μs 後に Gd に吸収され，全エネルギー 8 MeV の大学から，学生まで含めると約 25 人程度が参加している。
図 12 に DChooz 検出器を示す。DChooz 検出器の構造は，

γ 線を発生する。
n + Gd → Gd′ + γ ′s ,∑ E = 8 MeVγ

これを delayed 信号とよぶ。この二つの信号を要求することで，ほとんどのバックグラウンドを除去できる。
2
13

Δm による原子炉ニュートリノ振動は， L = 1.6 km あたりで，振幅が最大になることが期待される。実験的には，統計誤差を考慮にいれた場合，これより少し近い距離でニュートリノ振動に対して最大の感度があることになる。
2

現在 sin 2θ13 < 0.1 であることが分かっているため，振動参考資料[1]で説明した KASKA 検出器とほとんど同じなので，その一般的な構造や働きの詳細はこの文献を参考にしていただきたい。

DChooz 検出器は KASKA のそれ[1]と非常に似通った構造をもつ。内側から，(1) Neutrino Target Liquid Scintillator, 10.3 m 3
n -C12H26 (80%) + PXE(20%)+PPO+bis -MSB+Gd(0.1%)(2) γ -catcher: 22.6 m 3
n -C12H26 (80%) + PXE(20%) + PPO+bis -MSBによるニュートリノ欠損は 10% 以下である。そのため，そ(3) Non-Scintillating Buffer: 114 m 3 , mineral oilの測定精度は 1% かそれ以下の精度でなければならない。

(4) PMT ( 10′′ diameter × 390 )一方原子炉から発生するニュートリノの数は数%の精度(5) Inner Muon Veto: 90 m 3 liquid scintillator+ 8′′PMT × 70

でしか分からず，また一般に検出器での検出効率の絶対値(6) Steel Shield: 17 cm thickの精度も数 % あり，そのままでは，精度が足りないことに(7) Outer Muon Veto: scintillator panelsなる。そのため原子炉 θ13 実験では，まだ振動が小さい原子などより構成される。

炉の近辺に同一構造の検出器を設置し（Near Detector），最大振動付近の検出器（Far Detector）のデータとの比をとる
ことにより，これらの不確定性を相殺して， 1% 以下の測定精度を実現する。

(1)-(2), (2)-(3)の間は，アクリル容器で区分され，(3)-(5)の間は，ステンレスの容器になっている。

(1) 液体シンチレーターは，ドイツの Max Planck Institute Heidelberg が特に Gd の安定性を念頭に何年もかけて開発したもので，Gd は beta-diketonate として溶解して4.

DoubleChooz 実験

いる。PXE は芳香族の溶媒で，この規模で液体シンチレー

図 10 に示されるように，DoubleChooz 実験は，フランス

ターとして使用されるのは恐らくこれが初めてであろう。

のベルギーとの国境近くにある Chooz 村にあるフランス

発光量は ∼ 6, 000 photons/MeV ，光減衰長は 420 nm の光に

EDF 社が運転している Chooz 原子力発電所で行う。

対して 5 ∼ 10 m 。 n -C12H26 は KamLAND で大量に使用さChooz 原子力発電所は熱出力 4.2GW の 2 基の改良型沸騰水型原子炉（ABWR）からなる。この原子力発電所は日本の柏崎刈羽原子力発電所と姉妹提携をしており，Chooz
村も刈羽村と姉妹都市提携をしていて，発電所のスタッフ
や村長さん同士が相互訪問し合うという関係にある。われわれ KASKA グループも DChooz グループとは初期から協力して R&D を進めていて，他の原子炉 θ13 実験と比べ関係れてるパラフィンオイルで，透明度，純粋性や安定性に優れている。

(2) γ -catcher は，ニュートリノ反応の結果生じる中性子が Gd に吸収された時に生じる γ 線が，(1) の領域から漏れた場合，それを捕まえ，元々のエネルギーを再生するためのものである。そのため，この液体シンチレーターは (1)の液体シンチレーターと同じ発光量を持つ必要があり，(1)204の液体シンチレーターから Gd の成分を抜いたものになっている。厚みは 55 cm 。原子炉ニュートリノと陽子が反応して発生する陽電子は，運動エネルギーを失った後周辺の電子と対消滅を生じ，二つの 0.511MeV の γ 線を放出する。
したが っ て prompt 信 号 の エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ルには

1.022 MeV の下限値があり，解析のエネルギーthreshold を
それより小さくすることで，このカットによる efficiency を100% にすることができ，エネルギースケールに誤差があっても検出効率には影響しない。旧 Chooz 実験では，バッ
クグラウンドが多く，threshold を 1.3 MeV に設定せざるを得なかったため，このカットから誤差が入って来た。一方

delayed 信号の方も， 8 MeV の単一のエネルギーを持って

図 11

DoubleChooz グループ（2007 年 3 月撮影）いるため，このピークより低いエネルギーに解析のthreshold を設定することにより，やはり，検出効率を 100%近くにすることができる。図 13 に prompt と delayed 信号のエネルギースペクトルを示す。

図 9 加速器実験，原子炉実験と sin2 2θ13 の関係

図 12， DoubleChooz 検出器。

図 10 Chooz 原子力発電所と DoubleChooz 検出器
左上の小さい図は，フランスの中での Chooz 原子力発電所を表す。
よく誤解されるが，とっくりの口のように見える巨大な構造物は冷却塔で原子炉ではない。原子炉は図で向かって左側にある丸い
ドーム状の屋根をもつ建物の中にある。原子炉が運転している時は，この冷却塔から巨大な水蒸気の柱が上がり，なかなか壮観な眺めとなる。

図 13 左；Prompt 信号のエネルギースペクトル
右；Delayed 信号のエネルギースペクトル
右の大きな山は，Gd からの γ 線信号。左の小さなピークは，中性子に陽子が吸収されて発生する 2.2 MeV の γ 線の信号。縦線（赤）はイベントセレクションのエネルギーthreshold の場所を表す。

205
もう一つ重要な点は fiducial volume カットを行わないこ(11) キャリブレーションは，アメリカグループの担当で，とである。Gd 信号は (1) のニュートリノターゲットの中

彼らは，KamLAND のキャリブレーションも担当していたにしかないため fiducial volume は，この液体シンチレータ

ため，そこでの経験を生かそうとしている。Gd 入り液体シーの量で定義される。なお，この量は，アクリル容器の容

ンチレーターの安定性を保つために使用できる物質が限ら積から求めるのではなく，導入する液シンの質量を正確にれているため，キャリブレーション装置の製作が難しい。

測定することにより行う。

(12) Far 検出器の実験室は，Chooz 原子力発電所の奥に(3) この領域は，PMT からの γ 線がシンチレーターに届ある。発電所の保安ゲートを通り，巨大な冷却塔を横に見くのを防ぐ働きをする。密度を (2) の液体シンチレーターながら，河を渡ると，目の前がちょっとした山になっていと同じに調整したミ ネラ ル オイル を使 用 する。 厚みはて，その麓から約 10 度の勾配のトンネンルを 100 m くらい

1.05 cm 。昔の Chooz 実験では，この領域は存在せず PMT

歩いて降りると実験室のドームがぽっかりと現れ，その真が直接液体シンチレーターに触れていた。そのためガラスん中に昔 Chooz 検出器が入っていた直径 7 m ，深さ 7 m のに含まれる放射線によるバックグラウンドレベルが高く，円筒形のピットがある。深さは 300 mwe で宇宙線の数は地エネルギーthreshold を 1MeV 以下にできなかったため，誤上の約 1/100 になる。この地下室は昔地下にあった原子炉差が大きくなる一つの原因になっていた。

（CHOOZ-A と呼ばれ，現在外にある原子炉は CHOOZ-B と(4) DChooz 実験では検出器あたり 390 本の 10 インチ径呼ばれる）を解体した跡で，この隣には原子炉本体が入っの PMT を使用する予定である。日本グループは，この PMTていたもっと大きな空洞があるそうである。この巨大空洞

システム全体を担当している。この PMT は，大口径であを利用して DoubleChooz の後，TripleChooz をやろうといりながら，1 光電子信号に対して， TTS=3.4 ns(FWHM) ,う話もちらほら出ている。

Peak to Valley ratio=2.8 とよい感度をもつ。またガラスも(13) Near 検出器は，原子炉を挟んで Far 検出器の反対側

放射性不純物が従来の 1/4 の極低バックグラウンドのものの地下に設置する。発電所の安全コントロール敷地のすぐである。ケーブルは一本で高電圧の供給と信号の取り出し

外に，大きな広場があり，この広場に深さ 40 m 程度の縦穴を行う。PMT の磁気シールドやサポート構造物はスペイン

を堀り，その底に検出器を設置する案と，少し原子炉からが担当している。

離れた場所にある丘の下に横穴を掘る案があり今議論中で(5) Inner Veto は，宇宙線を veto するために用いられる。
ドイツとアメリカグループが担当。

ある。
現在の状況は，far 検出器のピット（図 14）の拡幅工事が(6) 鉄のシールドは，外部の土に含まれる U, Th, K など

終了し，鉄シールドの納品が進んでいる段階である。また，からの γ 線を遮蔽するのに使用される 。鉄を使用すること

各担当の institute の準備も進行している。図 15 は，により，内部の磁場の方向と強さが予想できず，磁気補償

γ -catcher のアクリルを支える治具で，スペインで製作し，コイルで磁場を相殺することができないため，個々の PMT

11 月中にフランスに送られる。図 16 は，ドイツグループ

は，ミューメタルで磁気シールドを施している。

が準備している γ -catcher 液シン用タンクで，PXE など液(7) Outer Muon Veto は，宇宙線の通過位置を知るためにシン用の材料もドイツに集まりつつある。

使用する。宇宙線のトラックに沿ってどの程度バックグラ

旧 Chooz 検出器との主な違いは，液体シンチレーターのウンドが増えるを見ることで宇宙線の spallation バックグ種類を変更したこと，ニュートリノターゲットの体積をラウンドが，予想通り問題ないかどうかの確認を行う。ア

5.6 m 3 から 10.3 m 3 にしたこと。バッファー層（3）と鉄シ

メリカグループ担当。

ールド（6）を設け，バックグラウンドを大幅に下げたこと(8) 液体シンチレーター類を保持するアクリル容器はフランスの担当である。このアクリル容器は円筒形で，(1) 用と (2) 用の二重になっている。

などである。
系統誤差は，Near-Far 検出器中の液体シンチレーターの量の比の不定性が 0.2% , lifetime が 0.3% , event selection

その他，(9) 読み出し回路は，フランスグループが開発によるものが 0.2 ∼ 0.3% で合計 < 0.6% （旧 Chooz 実験のしている 500 MHz のフラッシュ ADC を用いる。フロント

場合 2.7 % ），統計誤差は < 0.5% （旧 Chooz 実験の場合

エンドは宇宙線による非常に大きい信号からの立ち直りを

2.8 % ）を見込んでいる。

速くすることに注意をして開発している。

DChooz 実験は，2009 年にまず Far 検出器のみで測定を(10) データ収集システムは今開発を始めた段階である。

開始する。DChooz 検出器は，旧 Chooz 実験の検出器に比東工大，東北学院大，広島工大が重要な部分を担当するこべ，改良されているため，単独の検出器での精度を倍ほどとになっており，今活発に議論を進めている。

よくすることができ，2010 年には δ sin2 2θ13 = ±0.06 の精度

206に達する。2010 年には，Near 検出器を設置し，2012 年にトニウムを生産していたそうである。）しかしこの頃「原は δ sin2 2θ13 = ±0.03 の精度に達する。図 17 に，DChooz 実

子炉は disappearance の測定で精度が悪い。加速器実験は

験の到達感度を示す。

appearance の測定で精度がよい。したがって，θ13 は加速器

日本グループは，主に PMT システムを担当する。浜松

実験で測定すれば十分であり，原子炉実験は意味がない。」

ホトニクスと共同で，10 インチと大口径でありながら従来という考えが主流で，残念ながらこの提案はあまり注目をの 1/4 の放射線含有量を含んだガラスを使用した PMT の集めなかった。しかし，2002 年に KamLAND と SNO その開発を行った。この PMT に KamLAND で行ったパラフィ

他の太陽ニュートリノ実験の観測などにより，太陽ニューンオイルに対する耐性の方策を施す。ブリーダー回路は，トリノ振動の解が大混合角解（LMA）であることが明らか

IceCube 実験のものを元にして，信号のリンギングを減少になって，話が変って来た。この場合，第 3 章で述べたよ

し，ダイナミックレンジを広くとれるよう改良した。

うに，加速器実験による θ13 測定に大きな不定性が存在する

ケーブルは HV の供給と信号の取り出しを 1 本のケーブ

ことが明らかとなった。

ルで行う。図 18 に PMT の写真を示す。DChooz では，ここのような状況の中で，日本グループが 2003 年の論文[3]の PMT を検出器あたり，390 本，合計 780 本使用する。

で，原子炉による θ13 測定で，このような加速器実験に付随

PMT の準備にあたり，すべての PMT の性能テスト，HVする不定性を解くことができる可能性を指摘し，柏崎刈羽の設定などを行わなければならない。この PMT のテストで行う KASKA 実験を提案してから，にわかに原子炉 θ13 実装置の開発は首都大を中心にして行っている。図 19 左にこ験の重要性が認識され，世界中で８つの計画が立案されるのテスト装置の写真を，図 19 右にこのシステムで測定したに至たった。DChooz 実験もその中の一つである。その後，

光検出効率の分布を示す。この他にデータ収集・モニター

さまざまな事情で計画が統合されてゆき，今は DChooz のシステムも東工大，東北学院大，広島工大が重要な部分を他に中国の DayaBay 実験，韓国の RENO 実験の 3 計画が受け持つ。また PMT 部分のシミュレーションは新潟大学，

生き残っている（図 20）。

宮城教育大学などが受け持つ。日本グループは， DChooz

DChooz 計 画 に は ， ロ シ ア の Kr2Det ， ア メ リ カ のの後，DChooz の経験を生かしたより精密な θ13 測定，θ12 測

Braidwood，ブラジルの Angra それにわれわれ KASKA 実

定，Δm の測定などを日本の原子炉実験で行いたいと思っ験が合流した。KASKA 計画は 2006 年まで予算獲得の努力ている。このための次世代検出器の R&D を神戸大学，新を続けたが，残念ながら採択されることはなく，時期的に

潟大学が行う予定である。

それ以上の努力を続けても早期測定の目的を達することが2
13

日本グループの予算に関しては，昨年度申請した PMTシステムを実現するのに必要な大型科研費申請は残念ながら採択されず，そのせいもあり，DChooz の全体計画が半できないため，2006 年秋に DChooz グループに合流することにした。

DayaBay 実験は中国の DayaBay 原子力発電所を利用し年ほど遅れた。幸いドイツグループ他のサポートがあり，た実験で，付近にある高い山にトンネルを掘り，6 台の中

現在なんとか半年遅れで Far 検出器に関しては取りかかる

型サイズの検出器を設置するもので，2010 年に実験を開始ことができる見込みとなっている。しかし，旅費や，Near

し， sin2 2θ13 ∼ 0.01 の感度を目指している。最近アメリカ

検出器用の PMT の費用などはないため，今年度また予算の DOE が $ 30 M を提供することを決定したようである。

申請を行った。DChooz 実験は，全体的に確定した予算の個人的な感じでは，彼らの実験デザインを見る限り，彼ら

裏打ちがあって，それを元に建設を行うというスタイルでの言う感度を得るのは難しいのではないかと思われる。

はなく，様々な担当 institute が検出器の各部分の予算申請から製作までを行い，それを寄せ集めて建設するというス
タイルである。したがって担当 institute の予算申請が通らなければその部分に穴があくことになる。けっこう綱渡り的なことをやっているが，穴があきそうな場合他のinstitute がやりくりし手を差し伸べることでなんとかここまで来ている。
歴史的なことを紹介すると，2 台の検出器で θ13 を精度良く検出するアイデアは，ロシアの Krasnoyarsk グループが最初（Kr2Det）で，1999 年であった。（Krasnoyarsk 原子炉は地下深くにあり，米ソ冷戦時代は核兵器のためのプル

RENO 実験は，韓国の YoungWang 原子力発電所を利用したもので，韓国グループとロシアグループが実験準備を行っている。やはり 2010 年実験開始で sin2 2θ13 ∼ 0.03 の感度を目指している。こちらは，原子炉が一直線に等間隔に並び，原子炉に関係する不定性の Near-Far の相殺があまりうまく行かないという問題点がある。

DChooz グループは，他の原子炉 θ13 実験に比べ，原子炉
ニュートリノ実験の経験者が多数いて，精度を出すためにはどこがポイントかを良く把握しているため，この難しい実験を貫徹するのにより有利であると思う。

207

図 14 Far 実験室
手前下に見えるのが検出器を入れるピット。

図 18 耐オイル光電子増倍管（日本グループ）

図 15

γ -catcher を支える治具（スペイングループ）
Photo courtesy by CIEMAT.

図 19 左：PMT テスト装置
右：測定された PMT 全面の光検出効率の分布（首都大学）

図 16

γ -catcher 運搬用液シン用タンク

Photo courtesy by Max-Planck-Institute for Kernphysik.

図 20 原子炉 θ13 実験グループの変遷
時期はおおよその目安。

5.

今後

今後数年以内にいよいよ待望の θ13 の測定が行われ，ニュートリノ研究の大きなマイルストーンの一つとなることが予想される。DChooz で有限の θ13 が発見されれば，CP 非保存効果測定のための実験計画が真剣に立てられることになるであろう。また，T2K, NOν A 実験の結果と DChooz
図 17 DChooz 実験の感度の結果を組み合わせることにより， θ23 縮退，質量階層性が一気に決定される可能性もある。

208
将来の CP 非保存実験では，加速器実験単独による，

PA(ν μ → νe ) − PA(ν μ → νe ) = 0.1 × sin 2θ13 sin δの測定のみをめざすより（ ν μ モードは，ν μ モードの 3 倍の時間がかかる），はじめから加速器実験と原子炉実験を一つのパッケージとして組み合わせて，超高精度の原子炉実験（費用は加速器実験のそれと比べ，文字通り桁違いに少ないであろう）を並行して行い，2PA(ν μ → νe ) − (1 − PR (νe − νe )) = 0.1 × sin 2θ13 sin δ

堀内太，山崎玄太
首都大学東京：住吉孝行，春名毅，遠藤裕介
東京工業大学：久世正弘，古田久敬，前田順平，
松原綱之，吉野亜弥，田中浩基
神戸大学：原俊雄，田村直樹
東北学院大学：坂本泰伸
広島工業大学：長坂康史
宮城教育大学：福田善之

Saclay (予定)：早川知克

が有限かどうかの探索を速やかに行い，その後，加速器のν μ モードと組み合わせた測定を行う方が合理的であろう。
2

日本以外の共同研究施設は以下の通りです。

この原子炉 θ13 の超高精度実験（ δ sin 2θ13 < 0.01 ）は，統Physikalisches Institut RWTH Aachen, University of Ala-

計を DChooz から一桁よくし，振動パターンを精度よく測bama, Argonne National Laboratory, APC-IN2P3, Univer-

定することにより可能となる。

sity of California at Davis, CBPF Brazil, University of

逆に，DChooz で有限の θ13 が測定できない場合は，θ13 がChicago, CIEMAT Spain, Columbia University, Drexel

他の混合角に比べて異常に小さいことを意味し，大きな問University, DAPNIA CEA/Saclay, Max Planck Institut für

題提起をすることになる。また，そのままでは，多額の費

Kernphysik Heidelberg, Technischen Universität München,

用がかかる CP 非保存測定実験に乗り出すことは難しいた

Universität Hamburg, Illinois Institute of Technology,

め，やはりこの場合もより精度の高い原子炉 θ13 実験が必要

Kansas State University, RRC Kurchatov Institute, Law-になる。われわれはこの問題意識をもって，DChooz 実験

rence Livermore National Laboratory, Louisiana State

での経験を生かし，R&D を行い，将来日本でこの超高精度University, University of Notre Dame, University of Oxford,

原子炉 θ13 実験を行いたいと思っている。

Institute for Nuclear Research RAS, Institue of Physical
Chemistry

5.

まとめDoubleChooz 実験はフランスで行われる原子炉 θ13 実験

RAS,

SandiaNational

Laboratories,

Subatech-IN2P3, University of Sussex, University of Tennessee, Eberhard-Karls Universitat Tübingen and UNICAMP.

であり， 2009 年にデータ収集を開始し， 2010 年には，

sin2 2θ13 ∼ 0.06 の感度まで，2012 年は 0.03 の感度まで到達する。日本からは KASKA グループがこの実験に合流し，

参考資料

PMT, DAQ, PMT simulation などを担当している。DChooz[1] 末包文彦, 高エネルギーニュース, 23(3), 2005, 157.

実験の結果は，それ自身が重要であるだけでなく，将来の[2] 田村詔生, 末包文彦, 安田修, 日本物理学会誌

ニュートリノ実験の方向づけをすることになるであろう。

DChooz の他にも θ13 に関連した実験は，2010 年代前半に続々とデータが出始める。われわれは今この未知の領域に通じるドアのノブに手をかけている。

謝辞
これまでの DoubleChooz 実験準備は，科研費補助金その他の予算によりサポートされています。ここに感謝致します。また，この原稿を書く機会を与えて頂いた名古屋大学の飯嶋徹さんにも感謝致します。

KASKA/DC グループメンバーは以下の通りです。
東北大学：末包文彦，元木正和，田畑裕史，太田裕之
新潟大学：田村詔生，宮田等，川崎健夫，勝亦正明，

2006 年 11 月号, 解説, pp799-806.
[3] H. Minakata, O. Yasuda, H. Sugiyama, K. Inoue,
F. Suekane, Phys. Rev. D 68, 033017, 2003.
Errtum, ibid. D 70, 059901, 2004.