スーパーカミオカンデにおける高エネルギーニュートリノ研究名古屋大学太陽地球環境研究所
伊藤好孝
１．イントロダクションの体積をもつ ICECUBE が現在建設中である。

高エネルギー天体で陽子が加速されている

また湖や海を使った BAIKAL や ANTARES

場合、荷電π中間子が生成され、最終的にはなどの実験もある。SK は有効面積という意味ニュートリノが放出されているはずである。

では世界最大ではないが、ニュートリノ振動

一方地球上には太陽ニュートリノと大気ニュの研究の傍ら、上向きμサンプルを中心に天ートリノが大量に降り注いでいる。このバッ体からのニュートリノ探索が様々な手法で行クグランドから逃れるためにはできるかぎりわれてきた。本稿では SK での高エネルギー高エネルギーのニュートリノを捕まえる必要

ニュートリノ天体探索の現状について簡単にがある。またニュートリノの反応断面積はエまとめる。

ネルギーに比例し、核子あたりσ~ 10-38 ×Eν(GeV) cm2 と高エネルギーほど検出に有利

２．SK でのイベントカテゴリである。検出器周囲の岩盤でμニュートリノ

SK は直径約 34m 高さ約 36m の内水槽とそが反応した場合、生成されたμが岩盤を通りの外側を覆う厚み約 2m の外水槽からなる。

抜けて検出器に到達することがある。この場内水槽では 50cm 径 PMT を約 1 万１千本用合、通常の下向き宇宙線μと区別するため上いてチェレンコフリングのイメージングを行向きμ事象が使われる。μの飛程は１TeV でい、ニュートリノ反応点や放出粒子のエネルおおよそ km 程度にもなり、検出体積はやはギー、運動量等を求めている。反応点が内水りエネルギーにつれて effective に増大するこ槽壁から 2m 以上内側を有効体積とし、そのとになる。加えて、高エネルギーであれば生う ち 全 粒 子 が 内 水 槽 で stop し た も の を成されるμとνの角度相関がよくなり、点源

fully-contained event、μ等が内水槽から飛探索に有利である。以上の理由で、天体ニュ

び出し外水槽に検出されたものをートリノ探索には上向きμ事象がよく用いら

partially-contained event と呼ぶ。その境界れている。

はニュートリノエネルギーでおよそ 10GeV

スーパーカミオカンデ（以下 SK）は神岡鉱

で あ る [1][2] 。 大 気 ニ ュ ー ト リ ノ の 場 合 、山の地下 1000m に位置する 50kt(有効体積

Fully-contained event は約 8 event/day、22.5kt)の世界最大の水チェレンコフ検出器

partially contained event は約 0.5 event/dayである。上向μの感度に関しては検出器の体である。

積ではなく有効面積が効き、SK の場合約太陽ニュートリノサンプルは大気ニュート1200m2 である。南極には氷を使ったさらに巨リノよりも低エネルギー（およそ 5~100MeV）

大な有効面積 0.3km2 を持つチェレンコフ検事象について行われる別系統の解析であるが、出器 AMANDA が稼動しており、さらに km3ほぼ同様にチェレンコフ光からニュートリノ

反応点を求め、内水槽壁から 2m の 22.5kt を

ク を 完 全 に 突 き 抜 け る も の を upward

有効体積としている。この後 spallation やthrough-going muon、内水槽で stop するもnoise などのバックグランドを落とす処理をのを upgoing stopping muon と呼ぶ。反応点して最終サンプルが得られる。太陽ニュートが不明なため親の neutrino enegy は測定でき

リノ数計測のためにはさらに太陽方向との相な い が 、 大 気 ニ ュ ー ト リ ノ で は upward

関を取るが、天体ニュートリノ探索には太陽stopping muon の親ニュートリノは約 10GeV、方向との相関をとる前の最終サンプルが使わ

upward through-going muon の親ニュートれる。これはおよそ 150event/day 程度の頻度

リノは 10GeV~10TeV である。両者あわせてとなっている。

約 1.5event/day の event rate である。

2001 年の増倍管破損事故以後は内水槽増近年、μが内水槽で radiative なプロセスを倍管は約半分の約 5000 本となっているが、起 こ し 電 磁 シ ャ ワ ー を 起 こ し た upward

2005 年のフル再建作業を経て 2006 年度からshowering muon をタグすることで、upwardは本来の 1 万１千本に戻る予定である。2001

through-going muon の中でも親のニュート

年の事故以前のデータを SK-I、2002 年以後リノが TeV 程度の高エネルギーサンプルを抽の増倍管半数のデータを SK-II と呼ぶ。増倍出する方法が確立された。電磁シャワーを伴管数が半減しても、太陽ニュートリノサンプ

ったμによるチェレンコフリングは局所的に

ル の 最 低 検 出 エ ネ ル ギ ー が 4.5MeV か ら

余分な光量を放出することを利用して識別が7MeV に上がった以外は検出器としての性能可能である。図１に大気ニュートリノフラッは大きくは劣化していない。

ク ス の 場 合 の upward stopping muon,
through-going

0.7dΦ/dlogEυ( 10-13 cm-2 s-1 sr-1)

0.6(non-showering)

muon,

Showering

showering muon の親のニュートリノエネル

Non-showering

ギー分布を示す。

Stopping

今回主に使用される SK-I データは 1680

0.5

live-days (April 1996 ~ Jul2001) で 467

0.4

upward stopping muon と 1892 upward

0.3

through-going muon が観測された。このうち0.2309event が upward showering muon である。

0.1

３．点源から定常的なニュートリノの探索
011021010Eυ (GeV)

3104105図１ 大気ニュートリノの場合の upward
stopping, non-showering, showering muonの parent neutrino energy 分布

SK-I の上向きμサンプルでは様々な方法で高エネルギー天体からのニュートリノ探索が行われている。
まず天球の特定点源からの定常的フラックスの探索である。図２は、各上向きμ事象の一方、上向きμ事象では、タンク外側の岩盤で生成されたμが検出器に到来する。タン方向から３度 cone をとった場合に、その中にクラスターする上向きミュー事象数の頻度分布である。データは点源がないとした場合の３である。Spin-independent 相互作用につい予想とよく一致している。同様の解析をDAMA の結果に迫っている、Spin-dependent

upward showering muon に限って行った場相互作用に関しては現行の直接実験よりもよ合でも同様に有意な点源は見つかっていない。

い一桁以上よい上限値を与えている。

CygX-1 や Mrk421 等の高エネルギー天体−40WIMP−nucleon Cross−section (cm2)

10Super−KEdelweiss
CDMSZEPLIN
DAMA−4110−4210−4310110210310WIMP Mass (GeV)

図３ 地球中心、太陽、銀河中心からのニュートリノフラックス上限値から得られた
WIMP－核子断面積に対する上限値
４．GRB からのニュートリノ探索
GRB 起因のニュートリノの場合、バースト
図２ 各上向きμ到来方向について３度
cone 内にクラスターする上向きミュー数の分布。上が全上向きμ、下が upward goingshowering muon のみのサンプル。の方向のクラスターも調べられているが、いずれも有意な excess は見つかっていない。
WIMP 対消滅によるニュートリノ探索に関して、地球中心、太陽、銀河中心からの excessも探索されている[3]。暗黒物質としてのニュートラリーノは、宇宙を漂ううちに銀河系や太陽、地球の物質と散乱を起こして運動量を失ってその重力場にトラップされ、やがて対消滅を起こしてγ線やニュートリノを生成すると考えられている。地球中心、太陽、銀河中心についていずれの方向からも上向きμに有意な excess はなく、ニュートリノフラックスの上限値が得られている。この結果をM.Kamionkowski[4]の考察を元に、ニュートラリーノの散乱断面積に対する上限値に焼直し、直接測定と比較できる形にした結果が図の時間情報が使えるため、バックグランドの低い探索が可能となる。SK-I では上向きμだ
けでなく、大気ニュートリノサンプル、太陽ニュートリノサンプルも用いて、BATSE2000
カタログの GRB ソースとの相関がチェックされている[5]。BATSE と SK-I の同時観測期間（Apr 1, 1999 ~ May 2000）について、カタログより 1454 GRB が select され、それぞれに GRB バースト時刻から±10 秒、±100秒、±1000 秒の window 中に起こった太陽ニュ ー ト リ ノ 、 大 気 ニ ュ ー ト リ ノ （ vertex
contained events）がカウントされた。上向きμに関しては角度相関のよさを考慮して、GRB との角度 15 度以内、GRB バースト時刻から±1000 秒の event がカウントされた。結果はすべて大気ニュートリノバックグランドから予想される数と consistent であった。
この結果をニュートリノ fluence に対する
upper limit に焼直すためには元のニュート

リノエネルギースペクトラムを仮定しなけれフレアを定常的に起こしている天体で、非常ばならない。ここでは単色スペクトラムを仮に強磁場のパルサー（magnetar）ではないか定してニュートリノフラックスリミットを各と言われている。SGR は銀河系内か近傍の天ニュートリノエネルギーごとに計算した体である。SK-I の時期には４つの SGR からfluence ”Green function” upper limit Φ(Eν)

74 回のアクティブな期間が観測されている。

を求めている。すなわち、それぞれについて±1 日の window 中に SGR

N 90NT ∫ σ ( E 'ν )ε ( E 'ν )δ ( Eν − E 'ν )dE 'νの方向から 5 度以内に到来した上向きμは 1

ここで N90 は得られたニュートリノ事象数

SGR1900+14 に よ る も の で 26May1998,の 90％CL 上限値、NT は有効体積中の核子数、21:30:29UT から 27May1998, 04:22:01UT にσは核子あたりのニュートリノ反応断面積、かけて４度のフレアがあった。一方大気ニュ∑は検出効率である。Φ(Eν)を用いれば任意のートリノから予想されるバックグランドはスペクトラム形λ(Eν)に対する fluence upper

0.96 event で、有意な excess ではない。

Φ ( Eν ) =limit F は、

 λ ( Eν )
F = ∫dEν  Φ ( Eν )event で あ っ た 。 そ の 時 の フ レ ア はSGR のうち SGR1806-20 は 2004 年 12 月
−127 日 21 時 30 分 26 秒（UT）にこれまで知られた最大フレアのさらに 100 倍の巨大フレアと求めることができる。上向きμサンプルかを起こし話題になった。このフレアは X 線のら求められた fluence Green function upper

観測からバースト時の 0.125 秒に 1.8×1047limit を図４に示す。

erg/s のエネルギー放出があったと推測されている[6]。この時この天体は神岡ではちょうど地平線の下(cosθzenith = -0.02)で、ぎりぎり上 向 き μ 事 象 の 範 囲 内 で あ っ た

図 4 上向きμサンプルから得られた GRB
か ら の ニ ュ ー ト リ ノ fluence に 対 す るGreen function upper limit (90%CL)

５．SGR からニュートリノ探索
SGR（Soft Gamma-ray Repeater）は X 線

図５ 2004 年１２月２７日の SGR1806-20のバースト前後 10 日間に観測された１日あたりニュートリノイベント数。Livetime はcorrection さ れ て い る 。 上 か ら
fully-contained, partially contained, 上向
きμ、太陽ニュートリノ、の各サンプル。
実線は１日あたりのイベント数の typicalな値を示す

ソースの場所が特定されている。このようなリノサンプル、大気νfully-contained、 大域

visible なバーストを持たずまったくニュート

νpartially contained、upward muon、 太

リノだけのフレアを探索するため、同方向か

陽ν最終サンプルでのニュートリノの到来時

ら連続してニュートリノが来ていないかのチ間差である。バースト時の１秒間に観測されェックも行われている。時間的に前後して到たニュートリノはなく、バースト後 10 日間に来した上向きμ事象の doublet に対してその有意なニュートリノの増加もなかった。バー

時間差と方向差を調べると、最近接のものはスト時１秒間で 0 イベント観測から flux

19 分の時間差で到来方向のずれは 2.7 度であupper limit（90%C.L.）を GRB の時と同様った。角度相関の不定性を考慮すると、これに green function upper limit の手法で求めは同一方向から 19 分の間隔で２発ニュートたものが図６である。これとは独立に大気ニリノが飛来したとも言える。無関係な二つのュートリノシミュレーションを用いて E-2 の上向きμ事象がたまたまこのような相関を持スペクトルを持つ場合の upper limit を求めつ確率は 2×10-5/doubet と見積もられ、全ると E2Φν< 8×101 cm-2 s-1 GeV となる。ただdoublet に対しては約５％の確率と起こるとしこれは 1GeV~10TeV 領域のニュートリノ考えられる。したがって、この doublet の存に対して求めた値である。

在も、未知の天体からのニュートリノフレアν/cm2。図 5 は SGR のバースト前後の各ニュート

10108105102の有意な証拠とは言えない。

νe fluence limit (90 %CL) all combined

11all combinedνµ combined
νe combined

７．超高エネルギー上向きμ探索
これまで述べてきた SK での上向きμ事象の解析では、内水槽でのチェレンコフ光量が175 万 p.e.を超えるような大光量イベントは解析されていなかった。これは内水槽があまり に 大 光 量 だ と μ の 方 向 を 決 め る fitting-110program が動作しなくなるためである。この10-210-1

110102310Eν (GeV)

ような大光量は数 TeV から数 100TeV の超高エネルギーμが、内水槽で激しい radiativeprocess を起こしたためと考えられる。最近こ

図 6 2004 年 12 月 27 日の SGR1806-20のバースト時に１秒間でのニュートリノフラックス（ν/cm2s）の Green function upperlimit。各サンプルは combine され、νµ（下向き三角）、νe（上向き三角）、νµ＋νe（丸印）で表されている。のようなイベントでμの方向を外水槽の情報６．時間的空間的に偏った事象の探索向き」と判定され、eye scan その他の解析に

上記のような GRB や SGR からのニュート

よって、１イベントが超高エネルギー上向きリノ探索では、衛星など他の検出器でγ線やμの candidate として残った。これに対し大X 線のバーストが確認され、バースト時刻と気ニュートリノフラックスから予想されるバを元に再構成する解析が行われている。SK-Iでの約 50000event の>175 万 p.e.イベントのうち、343 イベントが外水槽の解析から「上ックグランドは 0.48±0.23 イベントであり、は他の高エネルギーニュートリノテレスコー

観測値と consistent である。このイベントをプにはない、fine grain な photo-sensor によバックグランドとして得られた超高エネルギる精密測定の利点もある。今後はこのようなーニュートリノフラックスの 90%CL upper特徴を生かしたアプローチが期待される。

limit を図７に示す。ここでは E-2 タイプのスペクトラムを仮定している。

-2Eν2dΦν/dE ν [ GeV cm s -1 sr -1 ]Reference-4

10

Atmospheric flux
Prompt flux
AGN core model (SS)

-5

[1]

AGN jet model (MPR)

10Y.Fukuda

etal,

Publishedin

GRB model (WB)

Nucl.Instrum.Meth.A501:418-462,2003

Our SK-I limits
MACRO limit

10-6

AMANDA-II limit[2]Y.Ashie

etal,

PublishedinPhys.Rev.D71:112005,2005

-710

[3]

10-8S.Desaietal,PublishedinPhys.Rev.D70:083523,2004,
10-910-10

Erratum-ibid.D70:109901,2004[4] M.Kamionkowski et al, Published in
4105106107108109101010Eν [ GeV ]図７ 超高エネルギー上向きμ事象から得られた E-2 タイプのニュートリノフラックスに対する upper limit (90%CL)。３×10－５付近の実線が SK の結果。10－６付近の点線が AMANDA の結果
AMANDA による limit に比べ一桁近く悪いが、それでもなお～10TeV 以上の超高エネル
ギーフラックスについて SK も upper limitを与えている。

８．まとめ
SK でのこれまでの探索では天体ニュート
リノの証拠は見つからなかった。
10 年前には SK がいかに巨大かという話をしていたものであるが、学問の進歩は早く、あっという間に、SK はいかに小さいか、という状況になってしまった。しかしながら SKは 5MeV から超高エネルギーまで幅広いエネルギー領域に感度を持ち、数十 GeV 以下の領域では今後も世界最大である。 また SK に

Phys.Rev.Lett.74 5174,1995[5]S.Fukuda

etal,

Published

Astrophys.J.578:317-324,2002[6] K.Hurley et al, astro-ph0502329

in