1111■ 談話室

稀なペンギンを追いかけて退職教員探検記

KEK 研究協力部 国際企画課 / 元 大阪大学 理学研究科

山中 卓
taku@post.kek.jp2023 年 9 月 23 日

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学生時代

飛行機のパイロットか設計技師になろうと思っていた

私が物理の道に方向転換したきっかけは，高校での二つの出会いである。一つは，物理の矢野淳滋先生の授業。
毎回実験を行い，その結果をもとに法則を導き出し，物理の体系を構築していった。これが実に面白かった。もう一つは，「物理の散歩道」という本。一見複雑に見える

ラムが役に立たず，貴重なビームタイム中に大幅に書き換えることになり，そのプレッシャーに押しつぶされそうになった。M2 の時に東大原子核研究所で実験した時も，失敗してはいけないというプレッシャーで胃が痛くなった。しかし，そうした実験への向き合い方を変えてくれたのは，千葉さんだった。一年上の影山達也さんの修論実験に参加したとき，千葉さんが持ってきたパズルを解いたり，event display を教えてもらって作ったりし身近な現象を単純な物理のモデルで解き明かす，その美て，実験は気楽に楽しめばいいんだということを学んだ。

ブルの上でくるくる回る現象や，つる巻きバネのバネ定索する実験に参加した。K + の静止標的を覆う NaI の検しさに魅了された。刺激されて自分でも，コインがテー数が何で決まるのか，実験をして調べた。

しかし大学に入り，進学振り分けで物理学科には進学できたが，勉強が難しくなり，落ちこぼれかけた。3 年
生の学生実験も高校の頃ほど面白くはなかった。

修士では，K + → µ+ νµ 崩壊で重いニュートリノを探出器の設計，業者との交渉，組み立てまで一学生の身分ですべて任され，驚いた。

D 論のテーマで悩んでいたとき，山崎中井研の助手の早野龍五さんが，K + → µ+ νµ 崩壊の µ+ のヘリシティ

そうした私を支えたのは，ワンダーフォーゲル部だっを測って右巻きの弱カレントを探そうと私を誘いに来た。

薪を集めて火を起こし，3 月にはスキーを履いて雪山を学生が主体で，学生たちが話し合い，手分けして準備をた。さまざまな学部の仲間と，夏は道のない山を登り，縦走した。自然の美しさと厳しさ，様々な事態への備えや対処，チームの率い方など，教室で学べないことを多く山で学び，どこででも生きていける自信がついた。

4 年の専門分野は迷わず素粒子の実験を選んだ。助手の千葉順成さんに，うちに来れば LSI-11 というミニコンピュータを使わせてあげるよと言われて藤井釜江研に入ると，まずデータ収集システムで必要となる割り込み処理を教えられた。大学院も，藤井釜江研と小柴研の間で迷っていたら，千葉さんがうちに来なよと言うので，それならわかると，即そのテーマに決めた。この実験は進め，走らせていた。と少なくともわれわれは思っていたが，お釈迦さまの手の上の孫悟空みたいなもので，そのような育て方だったのだろう。実験が始まる頃には，時間のプレッシャーの下，問題の原因を早く突き止め，ふっと思考を自由にして解決策を思いつき，少々不恰好でもいいから，早く対処するというスリル感が楽しくてしかたなくなっていた。ようやく，勉強ができなくても自分の活躍していける居場所を見出した。

D3 の頃には天狗になっていて，KEK で学ぶものは藤井釜江研を志望した。ただし，筆記試験の結果はかなすべて学んだので海外に飛び出したいと思った。若いうるかと聞かれたので，ワンゲルだから自信はありますと会で来日した米国の研究所の所長たちを釜江常好先生とり際どかったようである。その後の面接試験で体力はあ答え，笑われた。大学院の同期は峠暢一君と谷森達君。

よほどうるさかったのか，三羽烏と呼ばれていたらしい。
しかし当時，正直なところ実験は辛かった。4 年生のとき，NaI の結晶を KEK に持ち込んで e, π, p などを当てる実験をしたが，作った「万能」のデータ収集プログ

ちは教育はせず研究に専念したかった。日米協力の委員
日光の山に連れていく機会があり，恐れ多くも所長さんたちに相談したら，若いうちは小さな実験をすることを勧められた。KEK でも何人かに相談し，藤井忠男先生に推薦状を頼み，Fermilab のポスドクになって E731 実験をやることにした。日本とのつながりも将来の保証も2112

まったくなく，大きな賭けだった。D 論公聴会の 2 週間

後の 1985 年 1 月末に，単身，アメリカに飛び立った。

2Fermilab 時代

アメリカでの生活はめちゃくちゃ面白かった。何もわからない真っ白な霧の中で，何か行動するたびに少しずつ霧が晴れて，世界がだんだんと広がっていった。海外での生活がこんなに面白いと，どうして誰も教えてくれなかったんだろうと思った。

E731 実験は，直接的 CP 対称性の破れの存在を調べる実験である。KL → ππ などの CP 対称性の破れは，K 0 − K 間の混合に複素位相が入ることによって起き0る。複素位相を持ち込む理論としては，∆S = 2 の未知の力が持ち込むとする superweak model と，クォークが 3 世代あると自然に位相が入るとする小林益川理論があった。∆S = 1 の崩壊における CP の破れ (直接的 CP の破れ) は小林益川理論ならペンギンダイアグラムによって起きるが，∆S = 2 にしか関与しない

superweak model
では起きない。4 つの崩壊の分岐比から!
"/6 を求め，これが 0 から有意にずれていれば，直接的 CP のRe(ϵ′ /ϵ) =BR(KL →π + π − )/BR(KS →π + π − )BR(KL →π 0 π 0 )/BR(KS →π 0 π 0 ) − 1破れの証明となる。標準理論では gluon と Z 0 のペンギンダイアグラムが相殺し，Re(ϵ′ /ϵ) の予測は O(10−3 ) と小さかった。そのため，E731 実験はありとあらゆる系統誤差に注意を払う，精密測定実験だった。私の D 論の実験なぞ，E731 実験に比べれば子供の遊びだった。

しかし KEK で鍛えた実験の知識と技術と，問題を解決する力はそのまま通用した。まず Fermilab 担当の測定器，トリガー回路，西川公一郎さんから引き継いだDAQ と，徐々に担当を広げていった。思いついたことは何でもやった。トリガーも，NIM のモジュールとケーブルの山で組むのをやめ，CAMAC のメモリーモジュールを使って，端末から自由に設定できるようにした。

初め，KL,S → π 0 π 0 崩壊は崩壊で出る 4 つの γ のう

ち一つが薄い鉛板で e+ e− に変換したものをトリガーで集めていたため，統計量を稼げなかった。ある日，実験責任者の Bruce Winstein が，γ を e+ e− に変換せず，4つの γ のままデータを取ることを提案した。これを実現するには，新たなトリガーの手法と，より大量にデータを取れる DAQ が必要である。トリガーについては，

Princeton 大の Gollin 氏と電話で議論しているときにふと，格子状のカロリメータのヒットパターンに対し，各格子点の周りの 2 × 2 のパターンに従って与えた値を足し上げるだけで簡単にクラスターの数を計算できる方法を思いついた。このアイデアはそのまま，シカゴ大の回路室で実現された。DAQ は，Computing Departmentに相談し，一人で CAMAC から FASTBUS に切り替えた。FASTBUS のコントローラーのマイクロコードを書き，事象ごとにはコンピュータに割り込みをかけないよ
うにして，deadtime を 1/10 にした。早野さんに昔頼まれて，CAMAC の命令を実行できる PDP-11 のエミュレータのマイクロコードを書いた経験が役立った。

最終的に得た Re(ϵ′ /ϵ) の結果は 0 と矛盾がなく，0 と3σ 離れるという競争相手の CERN の NA31 実験の結果とは食い違った。実験の手法がまったく異なるため，ことあるごとに互いの系統誤差について攻めあったが，結果の違いを説明することはできず，どちらもより精度の高い新たな実験を建設することになった。

時は戻って 1986 年ごろ，BNL から KL → π 0 e+ e−が 1 事象発見されたという話が流れてきた。標準理論では γ や Z 0 のペンギンダイアグラムによって起きるが，その予測よりも 4 桁も大きな崩壊分岐比となる。E731のデータをシカゴ大のポスドクの Yau Wah がすぐに解析し，この分岐比を否定した。そのとき，800 GeV という高いエネルギーの陽子を使って稀な K の崩壊実験を行うアイデアが浮上した。当時の稀な崩壊の実験は，

BNL の 24–30 GeV の低エネルギーだが高い強度の陽子ビームを使うものが主流だった。しかし多体崩壊の場

合，高エネルギーの陽子で生成した高いエネルギーのK を用いた方が，崩壊後の粒子がより前方にブーストされるのでアクセプタンスが大きい。また，γ を含む崩壊の場合，γ のエネルギーが高い方がエネルギー分解能は高いし，余分な γ を veto するのも容易である。そこ

で KL → π 0 e+ e− 探索の実験を Fermilab にいっしょに提案しようと，Wah が誘ってくれた。2π 崩壊に特化していた E731 用のモンテカルロのコードを基礎から書き換えてどんな崩壊でも扱えるようにし，導入されたばかりでユーザーの少ない Amdahl の大型計算機を我が物顔で使って多くのバックグラウンドのシミュレーションを行い，実験提案書を書いた。何回かの厳しい PAC とのやりとりを経て，E799-I 実験として承認を得た。E731のビームラインと測定装置を変更し，KL → π 0 e+ e− 以

外にも KL の多くの稀崩壊について結果を出した。しかし，ビームの外に広がる粒子のレートが高く，狙ったほど感度は上がらなかった。よりクリーンなビームラインと，高いレートに耐える測定器群が必要だった。

そこで二つの実験の要求を合わせ，新しいビームラインと測定器群を作り，KTeV 実験（ϵ′ /ϵ 用の E832 と稀崩壊の E799-II）を行うことになった。

この頃，阪大から助教授の公募が出た。それまでやりたい放題研究に打ち込んできていたので，それを切り上げて教育や雑用も始めることには迷いもあった。しかし阪大に行けば優秀な学生がいるので一人でできないことができるし，日米科学協力事業の予算などを自分で取って KTeV 実験に貢献できると思いなおして応募した。幸い採用され，1992 年 3 月末，7 年間いたアメリカを離3113

れ，4 人に増えた家族で大阪に移った。に特化した KEK E391a 実験に入れてもらった。E391a

学協力事業と科研費の予算を獲得し，データ収集システ目のランのデータで BR < 2.1 × 10−7 を得た。E391a

阪大では KTeV E799-II 実験の責任者として，日米科実験では坂下健君が標準の解析コードを作り上げ，1 回ムの設計と開発，新たな CsI 結晶を用いる電磁カロリ実験は最終的に BR < 2.6 × 10−8 まで上限値を下げた。

上げ時に実験責任者が現場にいなくては話にならない

裕君のシミュレーションをもとに KL → π 0 νν を探索す族を引き連れ Fermilab に常駐して，実験を立ち上げた。

ものを流用したが，電磁カロリメータは 7 cm 角のもの7σ 離れていることを発表した。これにより Superweakmodel を排除し，小林益川理論を支持した。CP の破れが B 中間子でも発見される前のことである。

た。KTeV の CsI が欲しいと，事あるたびに Fermilab のπ µ µ , KL → 4e, KL → eeµµ, など多くの稀な崩阪に空輸し，李栄篤君らが中心になってすべての結晶をりし，PDG の KL のページの大部分を書き換えた。千ダーの中に積み上げた。の間の角度分布から初めて CP 対称性の破れを示した。

襲われた。ハドロンホールに入れるようになってすぐ，メータ用の PMT の開発と試験も担当した。実験の立ちと，長島先生に無理をお願いし，1995 年からは 1 年半家KTeV E832 実験では 1999 年に Re(ϵ /ϵ) が 0 から
′KTeV E799-II 実験では KL → π e e , KL →0 + −0 + −壊について崩壊分岐比の上限値を下げたり精度を上げた

代勝実君は，KL → π π e e 崩壊の ππ − ee の崩壊面+ − + −30

KL → π ννKL → π 0 e+ e− にはペンギンダイアグラム以外に，長距離力による KL → π 0 γ ∗ γ ∗ → π 0 e+ e− などの寄与もあり，それらの効果を引かねばならない。それに対し

KL → π 0 νν 崩壊の場合関与するのは Z 0 のペンギンダイアグラムだけである。そのため，標準理論の予測の誤差も小さく，予測される崩壊分岐比も 3 × 10−11 と小さいため，新物理の寄与によるズレが見えやすい。しかし現象としては，何もないところから γ が 2 個現れるだけなので実験は非常に難しい。1988 年の Snowmass

Workshop で BNL の Laurie Littenberg からこの崩壊について初めて聞いたときは，さすがに無理だろうと思った。しかし，次第にそのシンプルさと難しさに惹かれていった。初めは Littenberg が過去の論文の図から読み取って出した BR < 7.6 × 10−3 という上限値しかなかったが，その後われわれの E731, E799-I 実験が上限値を下げた。KTeV 実験を始めてしばらくして中家剛君が，γ が 2 個だけ電磁カロリメータに入る事象を集める 1 日だけの特別ランを提案した。このデータにより，

BR < 1.6 × 10−6 まで上限値を下げた。その後，花垣和
則君が π 0 の Dalitz 崩壊 (π 0 → e+ e− γ) を用いて π 0 を同定する方法で BR < 5.9 × 10−7 まで上限値を下げた。

KTeV の後は，120 GeV の Main Injector の大強度陽子ビームを用いて KL → π 0 νν を探索する KAMI 実験に参加する予定であった。しかし 2001 年に教授になり，さあこれから日米協力で KAMI 実験をやっていくぞと思っていた矢先，KAMI 実験は 1 回目の PAC であっさり却下されてしまった。ショックだったが気を取り直して

Wah とともに KEK の稲垣隆雄さんに頼み，KL → π 0 νν

そのうち，J-PARC が建設されることになり，山鹿光る KOTO 実験を提案した。測定器の大部分は E391a のから，KTeV の 2.5 cm 角と 5 cm 角のものに変えたかっ首脳部に伝えていたら，ある日急に使っていいよと言われた。おねだりはしておくものである。佐藤和史君らが毎月 Fermilab に飛んで CsI の結晶を真空パックし，大検査し，J-PARC で 2716 本の結晶を直径 2 m のシリン

CsI の結晶が積み上がった 1ヶ月後，東日本大震災に李君と損害を調べに行った。結晶が全体に数ミリ，シリンダーからはみ出していたが，幸い結晶に損傷はなかった。その後 PMT を取り付け，電磁カロリメータだけを真空に引いたところ，光量が半減した。外川学君が原因を究明した結果，ケーブルから可塑剤が蒸発して CsI 結晶と PMT の間のシリコーンの板に吸着し，CsI からの紫外光を吸収していたことがわかった。最終的には，可塑剤の入ってないケーブルに取り替えた。

稀崩壊の実験の難しさと面白さは，背景事象も様々な稀な反応を考えないといけないことである。実験時間に相当するすべての反応をシミュレーションすることは不可能なので，背景事象となりそうな反応を考え，それに絞ってシミュレーションをし，対策をとる。それでも人智を超えた背景事象が現れるので，一歩一歩それらを理解し，対処していかねばならない。

すべての測定器を組み上げた後，2013 年に初めての物理ランが始まった。しかし 100 時間後に，ハドロンホールでの事故のためビームは止まってしまった。ただこれだけのデータでも，約 6ヶ月データを収集した E391a 実

験と同等の感度を得，新たな背景事象を見つけた。ビームの外に広がったわずかな中性子が電磁カロリメータに当たってクラスターを作り，そこで発生した別の中性子が 2 個目のクラスターを作る事象である。常磐線の電車の中で南條創君と話し合い，CsI 結晶の上流面に物質量の小さい光検出器を取り付け，下流面の PMT との信号の時間差から結晶内での反応点の奥行きを測り，その分布の違いから γ と中性子を識別することにした。小寺克

茂君らが周到に準備し，2018 年に約 4000 個の MPPCを現場で取り付け，この背景事象を排除した。

2015 年に収集したデータで感度を 1 桁上げ，BR <4114

3.0 × 10−9 を達成した。外川君らが中心となって崩壊領まとめ域を囲む円筒形の γ 線検出器を増強した後，2016-20184に解析を進め，最新結果を 2019 年 9 月の KAON2019にとらわれ，グルーオン (ϵ′ /ϵ)，電弱 (KL → π 0 e+ e− )，事象は十分少ないし，信号領域の外側にも事象はなかっきた。小林益川理論の正しさの実証に貢献し，多数のの後 3 事象に修正）も見つかってしまった。さすがに標については，図 1 に示すように，一連の実験で崩壊分岐たのだが，信号領域を開いてみると，なんと 4 事象（そ準理論の予測より 2 桁多い事象を，すぐに新物理と断言する自信はなかった。信号領域を開いてしまった以上，
blind analysis の掟として発表せねばならないが，科学者として確証のないことは発表できない。コラボレー

ション内で散々議論した末，国際会議では篠原君が「箱を開けたらこうだったが原因はわからないのこれから調べる。まだ分岐比などの物理結果は発表しない」と，ありのままを正直に発表した。発表後のコーヒーブレークで，blind analysis を推奨していた Littenberg が私に聞いてきた。「Taku，しばらく隠しておけなかったの？」
この後，結果を発表をしていないのに勝手に崩壊分岐比を計算して KOTO anomaly と騒ぐ理論の論文がいっぱい出た 。それらはもう無視して淡々と原因を探るうち，
1

中性ビームに K + が混じっていて，それが K + → π 0 e+ ν

崩壊して，e+ が上流に飛んで見失われると背景事象になるのではと，野村正君が指摘し，清水信宏君がすぐにデータでその可能性を実証した。KL とコリメータの反応により O(10−5 ) の割合で K ± がビーム中に混じっていることが判明し，2021 年にそのことも踏まえて論文発表した2 。今はビーム中に薄いシンチレータを入れてK ± を検出し，この背景事象を排除している。
KOTO 実験の研究を現場で中心となって推し進めたのは，スタッフと大学院生たちである。私は実験責任者の仕事もあったが，できるだけみんなといっしょに作業させてもらったり，学生さんに頼みにくい仕事をやっていた。たとえば，震災の直後には，CsI の結晶が飛び出さないようにカロリメータの前面を押さえる高い強度の布のカバーを設計し，秘書の人からミシンを借りて強い縫い方も開発した3 。その後，アルミのハニカムをCFRP で挟んだ板のカバーも設計して取り替えた4 。新たに挿入した円筒形の γ 検出器を支える構造はシカゴ大のエンジニアと議論しながら自分で手計算して決め，組み立てに必要な測量システムも設計して作った5 。ミー

ティングでもふっと頭を軽くして本気か冗談かわからないアイデアを出し，そのいくつかは採用された。このようにして，せっかくの小さな実験を楽しんだ。

Z 0 (KL → π 0 νν) のペンギンダイアグラムを追いかけてKL の稀崩壊に対して感度を上げた。KL → π 0 νν 崩壊比の上限値を 6 桁下げた。崩壊観測という登頂はできなかったが，ベースキャンプを作るところまでは来たかと思う。ビームパワーの上がるこれからが本番である。

2021 年から KOTO の実験責任者は野村君に替わり，次01BR(K → π νν) limits

世代の KOTO II 実験は南條君が率いている。
L
1E-02
1E-03
1E-04

Littenberg
FNAL E731
FNAL E799

1E-05

Wst

FNAL KTeVKEK E391a

1E-06
1E-07dν

Z0

ν

KOTO

1E-08
1E-09
1E-10
1E-11
1985

Standard Model
1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

KOTO II/Kleverという国際会議で発表することにした。予測される背景

振り返ると，学位を取ってから 38 年，目の前の面白さ

90% CL upper limit on BR

年にデータを収集した。篠原智史君と塩見公志君を中心

2025

Published year

図 1: KL → π 0 νν の崩壊分岐比の上限値の推移直接指導した学生は博士号までが 12 名，修士号までが 38 名。教授として間接的に指導した学生も含めるとそれぞれ 16 名と 71 名。卒業生は素粒子や加速器の研究者からメーカーやソフトの企業，金融，役所など，様々な分野で活躍している。私の代わりに (?) パイロットになった人もいる。素粒子実験は潰しが効くとは言っていたが，本当だった。定年を記念して多数の卒業生やスタッフたちが集まってくれ，その時になって大学の教員になってよかったとつくづく思った。

定年後は研究の最前線からは退くことにした。散々好き放題やってきたし，研究費や人手，組織の面でも若い人たちのじゃまにはなりたくなかった。そこで，2023 年

4 月からは KEK の国際企画課に移り，サマチャレ等のスクールの支援を通して人材育成を行う，加速器科学国際育成事業 (IINAS-NX) の仕事をしている。事務組織

はアメリカ以上にまったく異なる文化や仕組みで，初めは足の置き場もわからなかったが，ようやく霧も晴れてきて，いろいろ改良したくなってきた。多くの若い人た
ちに物理や素粒子や原子核や加速器の魅力を知ってもらい，人生の方向転換のきっかけを作りたい。

今まで，変わったことをしたがる私をサポートしたり

1 K 専門の理論家は騒ぎには乗らず，我々の結果が出るのを待った。

見守ってくださった皆様に，深くお礼を申し上げます。

4 山中，日本物理学会第 67 回年次大会 24pFB-9.

そうそう，科研費 LATEX は続けますのでご安心を。

2 J.K. Ahn et al., Phys. Rev. Lett. 126, 121801 (2021).
3 山中，日本物理学会 2011 年秋季大会 19pSE-2.

5 村山，外川，山中，Lim, 高エネルギーニュース 35, 176 (2016).

また，両親，妻，子どもたちにも深く感謝します。あ，