foundation for high energy accelerator SCIENCE FASだより2017.11第15号公益財団法人高工ネルギー加速器科学研究奨励会
賛助会員の皆様方には益々ご清栄のこととお慶び申し上げます。日頃より、当公益財団法人　高エネルギー加速器科学研究奨励会に対する格別のご協力を頂き、心から厚くお礼申し上げます。 ●　広報誌「FASだより」も公益財団法人に移行してから第15号を発行することになりました。 ●　加速器セミナーおよび特別講演会のテーマ等でご希望・ご要望等がありましたら奨励会事務局までお寄せください。 ●　賛助会員の皆様で、広報誌「FASだより」に投稿したい高エネルギー加速器に関する記事等が有りましたら是非お知らせ下さい。投稿をお待ちしております。 ●　当公益財団法人の「ホームベージ」・広報誌「FASだより」等をご覧いただき、より良いものにするために皆様のご意見をお寄せください。お待ちしております。 ●　賛助会員のバナー広告掲載について当公益財団法人のホームページ上に賛助会員様のバナー広告を掲載しております。バナー広告掲載を希望される賛助会員様は、ぜひご利用ください。 (無料) ＜連絡先：info@heas.jp又はTEL / FAX 029-879-0471＞公益財団法人　高エネルギー加速器科学研究奨励会　事務局
平成29年11月
1.研究助成報告
1)「学部生のための、加速器を用いた初めての素粒子観測」(J-PARC)自29.06.22  至29.06.24 大阪大学大学院理学研究科　教授　山中　草　氏2)「高校生サイエンスキャンプ「Belle Plus」における加速器科学アウトリーチ手法の研究」 (高エネルギー加速器研究機構）自29.08.07  至29.08.10  .高エネルギー加速器研究機構　素粒子原子核研究所　助教　中山　浩幸　氏S
2. 国際交流助成報告
1)「ミュオンビームによるフラストレーション系物質の電子状態研究（強相関電子国際会議）」 (SCES2017プラハ)自29.07.16 至29.07.29 .高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所特別助教岡部博孝氏2)「ジルコニウム96を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索」 (TAUP2017・カナダ・サドベリー）自29.07.23  至29.07.29  15宮城教育大学教育学部教授福田善之氏
3.その他の助成報告
1)「第34回　高エネルギー加速器セミナーOHO' 17」 23 (高エネルギー加速器研究機構)自29.09.05  至29.09.08 高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設教授小林幸則氏2)「第７回　特別講演会」（アルカディア市ヶ谷） 29.10.12 …講　演.　1　「IFMIF原型加速器の現状と核融合中性子源（A-FNS）計画」講演者池田　佳隆　氏27国立研究開発法人核融合エネルギー研究開発部門 六ヶ所核融合研究所副所長講　演.  2　「加速器駆動核変換システム(ADS)に関する研究開発の現状と将来計画」講演者辻本　和文　氏日本原子力研究開発機構原子力基礎工学研究センター分離変換技術開発ディビジョン(兼) J-PARCセンター　核変換セクション
4.その他
1）公益財団法人　高エネルギー加速器科学研究奨励会　賛助会員一覧　 (平成29年11月1日現在) ...............  30 2）公益財団法人　高エネルギー加速器科学研究奨励会　評議員・役員・選考委員会委員一覧（平成29年11月1日現在）……………     31
大阪大学大学院理学研究科山中
1.目的
本プロジェクトの目的は、学部学生の段階で簡単な加速器を用いた実験を体験させ、粒子を実際に「見てもらう」ことである。学部学生の場合、４年になって素粒子物理学の授業や研究室のゼミで、粒子と物質の間の反応などを学ぶ。しかし、大学で行う実験で通常使えるのは、宇宙線や密封放射線源などであり、私の研究室でも学部４年生は７月までに宇宙線のミューオンの寿命を測定する。これでは粒子の種類やエネルギーが限られており、授業やゼミで学んだ反応を確かめにくい。また今年はベトナムから4ケ月間の短期留学生を引き受けており、彼女がせっかく日本に来たのだからベトナムではできない実験をしたいと希望した。そこで、今年は加速器を用いた実験をしてみることにした。
3.実験の準備と計画
実験の準備のために、こちらから与えた情報や制約は次の３つである。一つ目は、ビームラインのシミュレーションで得た、予測される粒子の種類とエネルギースペクトルとレートである。全く何の目安もないと方針も立てづらいので、これは与えた。二つ目は、測定器全体の厚みを16 cm以下にすること。これは、加速器を止めずに測定器をビームに出し入れする装置からくる制限である。三つ目は、約１ヶ月で準備して確実に動かせる測定器を作ることである。学生たちが計画しているときの議論を時々聞いたが、なるほど、初めて学ぶ人はそのような思い違いをするのかとか、そのように考えるのかなど、我々スタッフには新鮮であった。間違いに気づきそうにない場合はそのことがわかるように質問をしてみたり、考えが大きく外れそうだったり装置が複雑になりそうになった時には、こういう手もあるよ、と時々軌道修正をした。
2.方針
学部4年生3人と学部3年生の留学生1人に与えた課題は、「J-PARCハドロンホールで中性K中間子ビームの中の粒子を見よう」というものである。このビームラインは中性の粒子が多いのが難点であるが、私が行っているKOTO実験のビームラインであり、融通が効きやすい。様々な粒子を見るためにはどのような現象を用い、どのような測定器を用意すれば良いかを、学生たちで考えて話し合って決めさせ、自分たちで実験の計画や準備させた。これにより、学生たちは授業やゼミなどで学んだばかりのことを改めて思い出し、調べ直し、能動的に使わねばならないため、真に学ぶことができる。図1:粒子を見るための測定器そうした議論を経て彼らが荷電粒子とガンマ線を見るために計画した測定器を図1に示す。上流から、5 mm厚のシンチレータ(C1)、6 mm厚の鉛板、5 mm厚のシンチレータ(C2)、10 mm厚のアクリル板(C3)が並び、鉛板以外には光電子増倍管がつけられている。大きさは約10 cm × 10 cmである。まず、荷電粒子はC1、C2、C3全てを光らせる。また、C3からはチェレンコフ光しか出ないので、C1やC2からのシンチレーション光との違いを見ることができる。ガンマ線がC1を通過した場合、C1は光らないが、鉛板の中で電子・陽電子対を生成すると、C2とC3に荷電粒子2個分のエネルギーを落とすはずである。これらのカウンターの制作も、一から学生たちが行った。バンドソーでシンチレータを切り、初めて使うフライス盤で辺をまっすぐに加工した(図2)。アクリル板は、阪大の工作センターに新しく入ったレーザーカッターで切った。ライトガイドは、直径60 mmのアクリルの円柱にフライス盤で溝を掘って作った。この溝にシンチレータやアクリル板を差し込んで接着し、円柱の反対側の面に透明で柔らかいシリコーンの板を介して光電子増倍管をつけ、ブラックシートやテープで固定した。
4. J-PARCでの実験
2017年6月20日に東海に移動し、翌日はJ-PARCで実験の準備をした。まずカウンターを取り付け（図3）、ビームが出ている間でもハドロンホール内で信号を見たり光電子増倍管にかける電圧を変えられるように、信号と高電圧の長いケーブルをコンクリートのシールドの外まで引き出した。信号は、オシロスコープで観測することを基本とした。また、C1、C2、C3のカウンターからの信号を使ってオシロスコープ用のトリガーを作り、波形をネットワークを通して10 HzでMacに読み出せるようにした。CAMACのADCなどを使えばはるかに高いレートでデータを収集できるのだが、実験準備で忙しく６月の段階ではまだその段階には至っていなかった。ビーム初日の6月22日はカウンターの高電圧やタイミングの調整から始めたが、意外と手間取った。低エネルギーのガンマ線が多いためか、荷電粒子の信号がなかなかきれいに見えなかったのが一つの要因である。その後、NIMのモジュールを用いてカウンターのヒットの組み合わせでトリガー信号を作り、たとえばC1とC2に同時にヒットがあった時にオシロスコープで波形を見るようにした（図4)。また、異なるヒットの組み合わせでオシロスコープをトリガーし、波形を記録した。さらに、読み取った波形情報から電荷に直すプログラムを各人が書き、留学生の子は、ヒストグラムを作るプログラムも書いた。学生たちは、まだプログラミングの初心者だったので、高度なソフトウェアの道具を学ぶよりは、自分たちで一からプログラムを書く方が彼らのためになる。ビームタイムは２日間であったが、それでも時間は足りず、その制限の中で実験方針を議論し(図5)、かろうじて必要最小限のデータを収集して終わった。
5.実験結果
本格的なデータ解析は、大学に戻ってから行った。この時には、ROOTという解析用のソフトを用い、それを用いて様々な条件のもとにヒストグラムを作った。図6に、C2とC3が同時に鳴った時のトリガー (C2•C3)で見たC2の信号の電荷を示す。高いピークは、荷電粒子1個が落としたエネルギーに対応する。C1にヒットがないことを要求すると、荷電粒子1個の落とすエネルギーの1.7倍のところに、小さなピークが見える。これは、ガンマ線が鉛板の中で対生成を起こし、電子と陽電子がC2を通過したことを示す。また、C1にヒットがない場合でも、荷電粒子1個相当のエネルギー損失がC2にあるのは、コンプトン散乱による可能性が高い。
6.全体を振り返って
実験は、予想よりも時間がかかった。これは、学生たちがまだ十分にカウンターの扱いやトリガーロジックの作り方などに慣れていなかったためである。宇宙線を用いた実験で一通り基本的な技術に慣れていれば、もっとスムーズに物事は運んだと思う。しかし今回は、留学生がいられるのが８月までと限られており、J-PARCハドロンホールのビームタイムも６月までという制限があったため、時間的に厳しかった。いつでも気軽に使えるテストビームラインがKEKやJ-PARCにあればと思う。しかし、学生たちは自分たちで実験を計画して準備し、次々と出てくる問題や疑問に取り組んだ。これは、学生たちに取って非常に貴重な体験だった。この実験の準備が始まるまで、日本人の学生たちは英語が苦手だといって、あまり留学生の子とコミュニケーションを取っていなかった。しかし、実験の準備を始めるにあたり、そういうことも言っていられなくなり、とにかく英語や手ぶりや図を駆使して話し合うようになった。共通の目標を達成するために、言葉の壁を乗り越え、仲良くなって力を合わせて実験を準備し遂行したことも、彼らにとって非常に貴重な経験であり、これは将来も役立つはずである。今回の実験のために学生の旅費と宿泊費をサポートしてくださった高エネルギー加速器科学研究奨励会に、深くお礼を申し上げます。また、学部生たちの実験のために必要な準備をしてくださったハドロンホールの皆様、身内ではあるが便宜を図ってくれたKOTO実験のメンバーにも感謝いたします。なお、ベトナムからの留学生は、大阪大学の短期留学プログラムFrontierLab@OsakaUの成果発表会でこの実験について発表し、約20人の中でBest Presentation Awardの貨をとりました（図7)。これも、彼女が今回の実験で貴重な経験を得られたおかげです。短期留学生宇宙の成り立ちの謎に迫る国際共同プロジェクト「Belle II（ベル・ツー）」は、次世代への科学普及にも長年力を入れてきました。その取り組みの一つが、約20名の高校生を4日間KEKに招待する研究体験型サイエンスキャンプ「Belle Plus（ベル・プリュス）」です。このプログラムでTAとして重要な役割を担う大学院生の旅費に対し、今回、加速器奨励会より助成を受けました。 Belle Plusでは、「実験から結論までの科学的な考察技法」を体得してもらうことを目的に「研究者と同一の研究環境における研究体験」を基軸としたプログラムを2006年からほぼ毎年開催してきました。高校生の旅費を全額サポート・大学院レベルの内容を高校生向けにわかりやすく再構成した実験内容・最終日の高校生自身による研究発表・研究者と大学院生が多数参加する手厚いサポート体制など、過去10回の開催のたびに改良を重ね、他に類を見ない良プログラムに成長してきました。本プログラムは、高校生が最先端科学を学ぶだけではなく、ティーチングアシスタントとして参加する大学院生が、最先端科学をわかりやすく伝える教育手法を模索する場という面があり、従来から奈良教育大と連携して運営しています。高校生の旅費を全額サポートすることで、関東圏に限らない多様な地域の高校生が参加し、科学教育手法に関するより一般的で深い知見が得られると期待されます。今年度のBelle Plus（ベル・プリュス）は、８月７日から４日間、つくば市大穂のKEKつくばキャンパスで開かれ、全国から集まった高校生24人が、素粒子研究の現場で課題研究に取り組みました。このキャンプは、素粒子実験の研究現場を実際に体験することで、KEKのBファクトリー加速器とBelle測定器を使った研究の意義を理解してもらうとともに、研究の奥深さや広がりや、一つの結論に到達するまでの難しさを体得してもらうことを目的としています。次世代を担う研究者の育成につながることを願い、 2006年から行われています。11回目の今回も、KEKと奈良教育大の共催で開かれました。今回はKEKによる助成に、加速器科学奨励会からの助成・クラウドファンディングによる一般の方からの支援を合わせることで、北海道から沖縄県まで全国から幅広く、男女合わせて24人の生徒を招待することができました。集まった24人の高校生たちは、片岡佐知子・実行委員長（奈良教育大学）の「充実した4日間にしていきましょう」という呼びかけに呼応するようにキャンプをスタート。「B-Lab班」、「宇宙線速度測定班」、 「ワイヤーチェンバー班」、「理論班」の計４班に分かれ、講師役の研究者と大学院生のTAの指導の下、それぞれ与えられた課題に挑戦しました。 「B-Lab班」は、1999年から2010年まで稼働したBelle測定器を使った実験で実際に収集されたデータの一部を、自作の解析プログラムにかけ、新粒子を探すというデータ解析プロセスを体験。東京都から参加した高校1年の男子生徒（15）は「研究と同じことが体験できるとは驚きです。知らなかった公式を学ぶこともできて、素粒子の世界に興味を持ちました。」と感想を語りました。 「宇宙線速度測定班」は、机の上下に設置した二本の測定装置「シンチレータ」で、宇宙から降ってくる宇宙線を捉え、測定データから速度を計算する取り組みに挑戦。福岡市から参加した高校２年生の男子生徒（16）は「目的は簡単だけど、データの読み方がややこしく、正しい値を出すのは大変でした。」と苦労した様子で話しました。 「ワイヤーチェンバー班」は、ガスを満たした容器内にさまざまな太さのワイヤーを張り、荷電粒子の飛跡を捉えるワイヤーチェンバーを自作し、X線源やベータ線源などを使ってその性質を調べる試みに挑戦。札幌市から参加した高校1年の男子生徒（15）は「小学校時代に作ろうとしたガイガーカウンターの原理と同じ。そのとき失敗した理由がよくわかり、すごく面白かったです。」と満足そうにコメントしました。 「理論班」は、標準模型によって記述される素粒子の振る舞いを、ファインマン図に書き起こす演習をこなし、「B-Lab班」の解析データからどんな粒子が誕生したのかを推測する課題に挑戦。沖縄県から参加した高校1年生の男子生徒（15）は「実験の結果を理論で説明することに興味があり、理論班を選びました。難しい問題も、先生たちがやさしく教えてくれて、うまく答えを導き出すことができました。」と笑顔で話しました。最終日には、自分たちの結果を自分たちでスライドにまとめ、班ごとに研究発表会を行いました。他班の発表内容に対しても積極的に質問する生徒たちの姿が見られました。壇上の高校生は、研究者からの突っ込んだ質問にも精一杯答えていました。班ごとの課題実習に加え、KEK内の施設見学やサイエンスカフェなど盛りだくさんの3泊４日。高校生たちからは「グループで夜遅くまで宿題に取り組み、議論したのが楽しかった」「素粒子の世界に興味を持った」「実験施設を間近で見てその大きさを体感できた」などの声が聞かれました。 TAとしてこのキャンプに参加した大学院生からは、「前提知識がない高校生に最先端の科学を教えることが本当にできるか不安だったが、演習課題のプログラムがうまく工夫されていた」「高校生たちがグループの仲間同士で助け合って課題を解決していく姿が頼もしかった」と話していました。 (了)
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所岡部 博孝2017年7月17日から21日の日程でチェコ共和国のプラハにて開催されたInternational Conference on Strongly Correlated Electron Systems  (SCES2017)に参加いたしました。本国際会議への参加に際して、高エネルギー加速器科学研究奨励会から助成を頂けましたことを深く感謝いたします。また申請に当たり、様々なご助言とご支援を頂きました高エネルギー加速器研究機構ミュオン科学研究系主幹の三宅康博教授と構造物性研究センター長の門野良典教授に厚くお礼申し上げます。以下、会議の概要および口頭発表の内容についてご紹介いたします。本会議は強相関電子系物質（f電子系およびd電子系、有機物等の物質群）に関する国際会議であり、1992年に仙台で開催されて以来、3年に1度のInternational Conference on Magnetisim (ICM)との共同開催を含めると、今回は26回目の開催に当たります。会議国となったチェコは、かつてチェコスロバキア社会主義共和国と呼ばれていた国ですが、1993年のスロヴァキアの分離後はチェコ共和国として独立し、現在はＥＵに加盟しています。その首都プラハは、絵本の世界のような中世ヨーロッパの美しい街並みが現在も残されており、芸術・音楽・文学の街として世界中の人々をひきつけています。今回、SCES2017の会場になったClarion Congress Hotel Pragueは、プラハの中心部から地下鉄B線で約15分、Vysočanská駅の目の前という好立地であり、周囲には様々な商店やレストラン、ショッピングモールやスポーツジムなどが立ち並んでいます。参加者は20ケ国以上総勢906名であり、日本からの参加者も多く、プレナリーセッションの他に４部屋に分かれてのパラレルセッションと、1日当たり200件前後のポスターセッションが行われました。各発表は、以下の18のトピックスに分類され、連日8時半から夕方18時過ぎまで積極的な議論が交わされました。 1. Heavy fermion systems 2. Kondo effect and valence fluctuations 3. Quantum phase transitions and related phenomena 4. Unconventional superconductivity 5. Metal insulator transitions 6. Strong spin-orbit interaction in correlated systems 7. CEF effects and multipolar ordering in SCES 8. Theoretical methods for strong correlations Correlated topological phases 9. Kondo physics at nanoscale 10. Quantum magnetism and frustration 11. New materials; bulk, thin films and artificial structures 12. Strong correlations in actinides 13. Non-equilibrium phenomena in strongly correlated systems 14. Ferroics and multiferroics 15. Strong correlations in optical lattices 16. Strongly correlated materials in applications 17. Large research infrastructures for SCES investigations 18. Novel techniques前回(SCES2016)よりトピックスが7つ増加し、新たにスピン軌道相互作用や多極子秩序、トポロジカル相に関する理論やアクチノイド、光格子に関する項目が追加されています。開会式では現地組織委員会長のVladimir Sechovský氏(Charles Univ.)から歓迎の挨拶があった後、Bernard Coqblin賞（強相関電子系の物理の先進国でない国において、その分野の発展に貢献した人が対象）を受賞されたアルゼンチン、サン・カルロス・デ・バリローチェのJulian G. Sereni氏による「セリウムの体積崩壊現象発見80周年記念」講演、ジョンズ・ホプキンス大のN. Peter Armitage氏による「量子スピンアイス物質Yb,Ti,O,における低エネルギー励起」に関する講演がありました。本国際会議での研究対象は多岐に渡っているため、全てのホットトピックスをフォローすることは難しいですが、筆者の専門分野である磁性分野ではフラストレート系化合物、カゴメ格子における量子液体研究に加え、スピンアイス物質における磁化の断片化（フラグメンテーション）に関する発表が目を引きました。f電子系については、URu,Si,が示す“隠れた秩序（Hidden Order）”の問題が重要なトピックとして取り扱われていました。また、昨年のノーベル物理学賞がトポロジカル相転移に関するものであったことから、今年もトポロジカル絶縁体のセッションは満員御礼であり、注目度の高さでは銅酸化物や鉄系化合物超伝導に匹敵する人気を集めているのが印象的でした。さらにスピントロニクス分野では、マルチフェロイクスが比較的堅調な盛り上がり示す一方、スカーミオンに関する発表が大幅に数を増しており、応用研究に関して、研究者の興味が著しく増大していることを強く感じました。ポスターセッションにも連日、多くの参加者が詰めかけ、熱い議論が交わされておりました。チェコは、国民一人当たりのビール消費量が世界一のビール大国であり、黄金に輝くピルスナー・ウルケルを片手にチェコ伝統の菓子を摘みながら、他国の研究者と活発に交流するという貴重な機会を得ることができました。今回は、光栄にも口頭発表を行う機会を頂きました。申し込みをしたフラストレーションのセッションではありませんでしたが、「物質のエキゾチック相」セッションにおいて、15分ほどの発表を行いました。発表内容はLi₂Cr₃SbO。という新しいカゴメ格子物質について、ミュオンをプローブとした磁性研究（μSR実験）を行ない、それによって判明したエキゾチックな基底状態と励起状態の可能性について議論したものです。簡単なものですが、以下に発表の概要を示します。 Exotic spin-liquid-like magnetic ground state in the novel kagomé antiferromagnet Li,Cr,SbO, Frustrated magnets have been one of the major topics in the field of condensed matter physics due to their exotic low temperature spin states. We launched a novel kagomé antiferromagnet Li 2 Cr 3 SbO 8 which has a possible Z 3 spin liquid plateau state at 1/9 magnetization. In this study, we performed muon- spin rotation/relaxation (μSR) experiments on this compound, cooling down to cryogenic temperatures as ~20 mK using a ³He- 4 He dilution refrigerator, to reveal its magnetic ground state. Temperature dependence of µ SR time spectra in zero field indicates a presence of magnetic transition at T*= 4.5 K without any trace of long-range order. The spectra below T*show Gaussian-like line shape with anomalously broad width (~10 µs¬¹) for randomly- oriented static dipole moments as some sort of short- range order. Similar line shapes have been found in other Cr kagomé compounds, e.g., SrCr x Ga 3+xO 19 and KCr 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 , however these compounds show a spin-glass transition due to certain amounts of lattice disorder. Li2Cr3SbO3 has a perfect kagomé lattice structure, and it is expected to be free from such a problem. By applying magnetic field parallel to the muon-spin- polarization direction (LF-μSR), we found that the magnetic state below T *is not a "uniform" short-range order but a complicated state consisting of both static (or quasi-static) and dynamical components. In LF-μSR, these components are easily distinguished from one another by how the longitudinal depolarization is quenched. The static component is approximately 70% of the total-spin population and the remainder is dynamical (~30%). Remarkably, this feature does not change even down to 22 mK. This suggests that finite spin fluctuation might survive at absolute zero temperature. Such a mixing state (static : dynamical ~ 2 : 1) is unprecedented as it is the first time that observed in kagomé compounds. We presume a magnetic ground state of Li 2 Cr 3 SbO 8 . This model is empirically constructed on the basis of µSR results considering with theoretically-calculated muon sites which are located within the plane of kagomé hexagons. The main feature of the model is hexagonal plaquettes formed by Cr 3+ electronic spins where the surrounding spins are isolated. Adopting a periodical displacement of the two-third of static spins by dynamical spins in this manner, magnetic frustration seems to be somewhat eased in the model. Implanted muons stopped inside the hexagons would sense almost dynamical fields from plaquettes, whereas outside muons sense almost static fields from adjacent spins. Such a magnetic state could be considered as an exotic spin-liquid state coexisting with a short-range magnetic order. Based on this picture, we provide a plausible mechanism of the field-induced 1/9 magnetization plateau which would be closely linked to ordered patterns of the surrounding spins.なお、本研究は北海道大学理学部の吉田紘行氏との共同研究として行われました。セッション最後の発表であったこともあり、発表終了後にも多くの方から様々な質問や共同研究の申し込みが寄せられ、非常に有意義な一時を過ごすことができました。今回の会議では、残念ながら私の専門分野であるμSR関係の発表は少なく、私の知る限りでは口頭発表2件、ポスター発表が数件ある程度と、まだまだ磁気プローブとしてのミュオンの存在感が薄いことを実感いたしました。閉会式では、来年のSCESがサンフランシスコでICMと共催になることが伝えられた後、再来年のSCES2019の開催地が、日本の岡山に決定したことがアナウンスされました。それまでの強相関電子系研究の進展を楽しみにすると同時に、加速器施設の一員として、ミュオンを用いた研究発表が1件でも増えるよう尽力したいと存じます。閉会式の様子、一番手前の人物が現地組織委員会長のVladimir Sechovský氏（Charles Univ.）
宮城教育大学教育学部　理科教育講座福田 善之2015年のノーベル物理学賞を受賞した梶田隆章氏とArthur Bruce McDonald氏は、それぞれ大気ニュートリノ振動および太陽ニュートリノ振動を発見したことが評価された。つまり、従来の素粒子の標準理論がニュートリノの質量を0と想定していたが、実は質量が存在する直接的な証拠となったのである。ところが、その質量が一体いくらなのかという疑問に、ニュートリノ振動は答えを与えてはいない。素粒子の標準理論ではニュートリノに質量がないものとして記述しており、これまでいくつもの実験データや観測結果を精密に説明していることからもわかるように、ニュートリノに質量が存在したとしても、非常に小さいことが予想される。このニュートリノ質量を探索する方法は、いくつか存在する。まず、ニュートリノを放出するベータ崩壊のベータ線のエネルギーを極限まで精密に測定する方法である。ベータ崩壊は、放出するニュートリノがエネルギーを持ち去るため、観測される電子のエネルギー分布は広がっている。このとき、電子の最大（終端）エネルギーは、ニュートリノに質量がある場合、標準理論の計算値と微妙に異なみ。 1980年代、世界各地でベータ崩壊から放出する電子の最大エネルギーを精密に計測する実験が行われた。東京大学原子核研究所では、２重収束磁石によるスペクトロメーターを用いて、トリチウムのベータ崩壊( ³H → ³He+e¯+v¸ ) の終端エネルギーを測定し、m x c 2 < 13eVの上限値を得た[1]。一方、静電型スペクトロメーターを使った実験がドイツのマインツ[2]やロシアのトロイツク[3]で行われ、m c² < 2.5 eVの結果を得た。現在、ドイツ・カールスルーエにおいて、KATRIN実験が巨大なスペクトロメーターを用いることによりm,c² < 0.2eVを目指しているが、現在考えられている0.01 eVのニュートリノ質量の領域に到達することはかなり困難だと思われる。一方、もっと小さいニュートリノ質量の測定に非常に有効だと考えられる方法が、ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の観測である。二重ベータ崩壊とは、通常のベータ崩壊とは異なり、ベータ崩壊が2回同時に同じ核内で起きる現象である。但し、親核の質量より娘核の質量が大きいため、個別のベータ崩壊は抑制される。この二重ベータ崩壊には２種類が存在する。 ーつは、2個の電子と2個のニュートリノを放出する二重ベータ崩壊（2vββ）である。これは、量子力学的なトンネル効果によってベータ崩壊が2回同時に同じ核内で発生する現象である。この崩壊の半減期は10²¹年程度と非常に長いが、実際に観測されている現象である[4]。それとは別に、2個の電子だけを放出してニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊（0vββ）が存在すると考えられている。0vββの場合、核内の中性子が陽子に崩壊した際に放出するニュートリノは反ニュートリノでもあるので、同じ核内の別の中性子に吸収されて陽子に崩壊してしまうため、2個の電子しか放出しない。このようにニュートリノと反ニュートリノが同じである場合はマヨラナ粒子という。素粒子の標準理論ではニュートリノはディラック粒子であるため、ニュートリノと反ニュートリノは別の粒子と考えている。また、ニュートリノはレプトン族に属しているためレプトン数という量子数を持ち、ニュートリノは+1、反ニュートリノは–1と言う値を持つ。標準理論では、このレプトン数が常に保存し、実際2vββは崩壊前後でレプトン数を保存しているが、0vββは保存しないのである。つまり、0vββは、素粒子の標準理論を超える新たな現象なのである。 0vββが観測された場合、式(1)のように、その半減期T 2の逆数は核行列要素の理論値とニュートリノ絶対質量の積の2乗に比例することが予言されている。
ここで、G。は位相空間因子であり、M。は標的原子核の核行列要素、〈 m, 〉はマヨラナ型のニュートリノ質量、m,は電子の質量である。これから、例えば0.01 eV以下の質量領域を観測するためには、概ね10²年以上の半減期の現象を観測する必要がある。一方、観測する半減期の２乗は、式(2)のように、標的原子核の質量と観測時間の積に比例し、エネルギー分解能と背景事象率の積に反比例する。
ここでaは、標的原子核の自然存在比、Mは標的原子核の質量、Tは観測時間、ΔEはエネルギー分解能、Bは背景事象率である。従って、次世代の二重ベータ崩壊実験に求められる条件は、1) 0.01事象kg¯¹ y¯¹の低背景事象の環境下で、 2)高エネルギー分解能を有する観測装置により、 3)トンスケールの標的原子核を用いて観測する必要があり、これらの条件が揃うと0.01 eV領域のニュートリノ質量の探索が可能となる。このように、0vββの観測は非常に小さいニュートリノ質量を測定できる唯一の方法であると考えられており、現在世界中で観測や計画がなされている。表1は、二重ベータ崩壊する原子核の一覧を示している。また、崩壊過程のＱ値と自然存在率
二重ベータ崩壊を探索する実験の歴史は古く、阪大の江尻氏が始めたELEGANTやフランスのNEMOが有名である。近年では、76Geを濃縮したゲルマニウム半導体を用いたGERDAや、低温化させたTeO₂結晶の温度変化を捉えるCUOREなどが観測を開始しているが、いずれも標的原子核の質量が数10 ～数100kg程度である。現在、最も小さいニュートリノ質量の上限値（最も長い半減期の下限値）を得ているのは、液体シンチレータに¹³⁶Xeを320 kg溶解させたKamLAND-Zenが観測した〈m,c²〉≤ 61 - 165 meV、T v2 ＞ 1.07 × 10 26年（90%の信頼度）である[5]。一方、トンスケールの標的原子核を使用する次世代の二重ベータ崩壊実験は、今年度中にKamLAND-Zenが136Xeを800kg使用する計画であり、また液体シンチレータに¹³⁰Teを790kg溶解させるSNO+も始まろうとしている。本研究では、二重ベータ崩壊のＱ値が標的原子核の中では３番目に高い°Zrを用いるZICOS実験を計画している。図1は、ZICOS実験の外略図である。これまでに、テトラキス（アセト酢酸イソプロピル）ジルコニウム（Zr(iprac) 。をアニソールに10wt.%溶解させ、更にPPOを5wt.%、POPOPを0.5wt.%溶解させた液体シンチレータの開発に成功し、汎用の液体シンチレータであるBC505に対して48.7 ± 7.1%の発光量と、64%の集光率の光電子増倍管による観測を仮定すると、2.8 ± 0.4% @ 3.35 MeVのエネルギー分解能を達成している[6]。但し、液体シンチレータを用いた二重ベータ崩壊実験では、ウラン系列の²¹⁴Biやトリウム系列の208Tlが放出するベータ線とガンマ線がQ値付近のエネルギーを持つため、深刻な背景事象になる。従って、それらの放射性物質を極限まで除去しなければいけない。実際、U/Thの含有量が10~15~~16g/gという極低背景事象環境を達成しているKamLAND-Zenでさえ、3 MeV付近に観測されている事象は、主に内部バルーンに付着した208 Tlのベータ崩壊の電子と208Pbの基底状態へ遷移する際に放出する複数のガンマ線から構成されている。特に、後者には2.6146 MeVのガンマ線が必ず含まれている。 0vββ事象は一つの原子核から2個の電子を放出する一方、²⁰⁸Tl等の放射性核種の崩壊事象では、ベータ線の発生点とは離れた場所でガンマ線が反応すると考えられる。従って、シンチレーション光を用いてバーテックスの位置を求めると、概ね光量中心となるため、検出器の内部に再構成されてしまうことがあり、バルーンから離れた事象を選択しても、208Tlの崩壊事象が残存するのである。 (但し、KamLAND-Zenではバルーンの外に逃げたベータ線やガンマ線も掴まえるので、136XeのQ値である2.5 MeV付近には、これらの事象は入り込まない。）すなわち、シンチレーション光だけではエネルギー観測しかできないため、Ovββ事象と放射性核種の崩壊事象を明確に区別する有効な手段がないのである。一方、 208 Tl崩壊事象によるベータ線とガンマ線を各々個別に観測することができれば、Ovββ事象とは異なった特徴を示すはずである。そこで、シンチレーション光とは別に、チェレンコフ光を用いて放射性核種の崩壊事象を除去する手法を考案しようと考えた。電子やガンマ線のシミュレータとして定評のあるEGS 5を用いたシミュレーションにより求められた、208Tlの崩壊事象のエネルギースペクトルを図2に示す。バルーンから50 cm以上より内側（中心から３ｍ以内）に光量中心を持つ事象を選びプロットすると、図２の点線のようになった。これから、ほぼ全ての事象に2.6146 MeVのガンマ線が含まれることがわかる。この時点で、 KamLAND-Zenのfiducial volumeカットとほぼ同等と見なしてよい。残った事象に対して、２事象以上ならば10 cm以内しか離れていない事象（１事象ならば0 cmとしている)をプロットしたものが、図2の斜線である。全部で100,000事象発生させた内、2.8 MeVから4.0 MeVの領域で見ると、全体で26,403事象が観測され、fiducial volume内に759事象、事象間距離が10 cm以内の事象は13事象となった。すなわち、ベータ崩壊の電子と2.6146 MeVのガンマ線が反応した電子との間が10 cm以上離れていると、fiducial volume内に観測される208Tl事象の約98%を除去できることがわかった。従って、チェレンコフ光を用いて個別に事象の離れ具合をパラメーター化できれば、さらに高度な背景事情除去が可能になると考えられる。 ZICOS実験では、fiducial volume内の96Zrは45 kgであり、KamLAND-Zen同様の洗浄度で２年間の測定をしたとしてもT v ≥ 4 × 10 2年の半減期しか探索できない。そこで、 208 Tlによる背景事象を95%除去すると、T or > 2 × 10 26年の半減期が達成できる。更に、96Zrの濃縮度を50%まで高められると、T v2 > 1 × 10²年の半減期まで探索が可能となるのである。 2.4.チェレンコフ光を用いた背景事象の除去シミュレーションを用いて、208Tlの崩壊事象と0vββ事象から放射されるチェレンコフ光を受光した光電子増倍管の典型的なヒットパターンを図３に示す。但し、0vββの２本の電子は1.675 MeVの電子が正反対の方向に発生している。ここで、丸点はチェレンコフ光の光子を1 pe以上観測した光電子増倍管、四角点は電子の発生点である。 0vββ事象では、各電子のチェレンコフ光のヒットを色分けしている。ヒットパターンを見ると、0vββ事象はチェレンコフ光によるリングが２つ観測されているように見えるが、実際には電子が多重散乱していることから、クリアなリングとは言えない。また、 208Tlの事象のヒットパターンと比べても、0vββと区別することは非常に難しい。そこで、これらのヒットパターンを数値化する手法を考えた。まず、0vββ事象の場合、シンチレーション光から求められる事象のバーテックスの位置は、事象の発生点とほぼ一致すると考えられる。一方、 ²⁰⁸Tlの崩壊事象では、ベータ線とガンマ線により放出した電子の発生点が異なっているため、シンチレーションから求められるバーテックスは、光量中心となる。そこで、シンチレーション光から求められるバーテックスを中心に、チェレンコフ光を検出した各光電子増倍管への方向単位ベクトルd,を求め、全ての光電子増倍管についてベクトル和âを求める。
ここで、nhitはチェレンコフ光を受光した光電子増倍管の本数である。このベクトルàの方向に対して、各光電子増倍管への方向と成す角度をθとして、その平均角〈θ〉を以下のように定義する。
1.675 MeVの単一電子のバーテックスがfiducial volume内にある事象に対して、この平均角の分布を取ると図４のようになる。これから、平均角はアニソール中のチェレンコフ角の48度と良く一致していることがわかる。次に、一つの電子のエネルギーが1.675 MeVの0vββ事象のバーテックスがfiducial volume内に存在する場合の平均角分布を図５に示す。図３のヒットパターンからわかるように、２つの電子による光電子増倍管のヒットは検出器の表面に広がっているため、１つの電子事象に比べると平均角は大きい値が得られている。最後に、208Tlの崩壊事象のバーテックスがfiducial volume内に存在する場合の平均角分布を図6に示す。²⁰⁸Tlの崩壊事象は、ベータ崩壊の電子や2.6146 MeVのガンマ線によるコンプトン散乱電子等の複数の事象から構成されているため、前述にようにシンチレーション光によるバーテックスは光量中心になっている。従って、真の事象の発生点から離れた位置になっているため、平均角が小さくなることが予想される。実際、図6から0vββ事象の平均角と比ベると明かに²⁰⁸Tl崩壊事象の平均角は小さい値になっている。そこで、平均角を48度でカットすると、0vββ事象の77.7%はカットされずに残るが、 ²⁰⁸Tl崩壊事象の92.8%が除去される。すなわち、チェレンコフ光のヒットパターン用いることにより、KamLAND-Zenが除去できないfiducial volume内に残存する²⁰8Tl崩壊事象の95%近くが除去できることがわかった。このように、チェレンコフ光を用いれば、これまで除去できなかった放射性核種崩壊事象の内、ガンマ線の放出を伴うようなベータ崩壊核種である208Tlや214Biに対して、95%近くを除去できると考えられる。但し、ZICOS実験ではエネルギーの観測にはシンチレーション光を用いるため、チェレンコフ光による光電子増倍管の情報をシンチレーション光から分離しなければいけない。チェレンコフ光とシンチレーション光との分離は、発光機構の違いを利用する。シンチレーション光は、分子の軌道電子の励起と遷移の過程を経て放出するため、一般的にナノ秒程度の時間的な広がりを生ずる。それに対し、チェレンコフ光は、荷電粒子による電場と分子の電磁相互作用により生ずる双極子の振動から発生するため、荷電粒子が通過すると同時に発生し、数100ピコ秒の広がりを持つことが予想される。従って、信号の波形を観測すると、立ち上がりに差ができることが実験的に確かめられている[7]。チェレンコフ光の波形を観測するため、アニソールとZICOS用の液体シンチレータに対し、 CAEN V1721 FADCを用いて発光波形の計測を行った。チェレンコフ光は方向性を有していると考えられる。そこで、図７のように“Coのガンマ線が液体シンチレータ内の電子とコンプトン散乱し、150度の後方散乱したガンマ線をNaI検出器で観測したとき（後方散乱）のデータを収集する。この時、液体シンチレータ内で観測される電子は、ガンマ線の入射に対して4.5度の角度方向に平均1.02 MeVのエネルギーを有して放出されているはずである。従って、電子の方向は一定に保たれるため、チェレンコフ光の方向生を議論できるのである。そこで、図7中のangle（ガンマ線の入射方向と光電子増倍管の面とのなす角度)を変更すると、電子の方向に対して光電子増倍管の方向を自由に変えることができることになる。これから、angleによって観測する事象数が異なれば、観測している事象がチェレンコフ光に起因していることを示すことができるのである。まず、アニソールと液体シンチレータのシンチレーション光による波形のテンプレートを作製した。アニソールや液体シンチレータが入っているバイアル（直径２cm高さ６cm）に対して、 60Coのガンマ線が直接光電子増倍管に入らないように、上面から見て中心より5 mm後方へ光電子増倍管から遠ざけた位置に鉛ブロックでスリットを作り、光電子増倍管に対して垂直に入射させた。この位置では、チェレンコフ光の受光も少ないと考えられる。観測した事象のコンプトン端に相当するエネルギー周辺の事象だけを集めて、FADCのパルス波形を作製した。アニソールの場合、発光波長が300 nmであるため、使用している光電子増倍管の量子効率が約7%なので、事象数が少なくなっている。観測結果を図8に示す。どちらも、シンチレーション光の崩壊時間が7 nsで一致していることがわかる。次に、図７のセットアップで、angleが90度のときのアニソールと液体シンチレータのFADCによる波形を観測した。まず、アニソールによる波形は図９のようになった。アニソールではシンチレーション光の波形(左)は数が少なく、ほとんどの事象は右の図のような波形であり、明らかにシンチレーション光とは違った崩壊時間を持つ波形であった。従来のエネルギースペクトル観測では、400 nm以上の光しか透過しない紫外線カットフィルター（富士フィルム製SC-37）を通して事象が観測されたことから、それらがチェレンコフ光による事情だと考えていた[8]。従って、この波形はチェレンコフ光によるものである可能性が高い。一方、液体シンチレータによる観測では、図10のような波形が観測された。液体シンチレータでは、シンチレーション光のテンプレートを統計的に合致する事象（左）が観測されたが、統計的以上に立ち上がり部分の波形が異なった事象（右）も観測された。この立ち上がり部分の波形のずれがチェレンコフ光であると考えた場合、シンチレーション光のテンプレートとの差を取ると図11のような波形となった。データからテンプレートの差を取った波形と、アニソールで観測された波形を面積で合わせて重ねてみると、非常に良く一致していることがわかる（図11の右図）。したがって、液体シンチレータの波形の立ち上がり部分の超過波形は、チェレンコフ光である可能性が高いと言える。しかし、これだけではチェレンコフ光を観測したと結論づけることは危険である。チェレンコフ光であるならば、角度相関が存在するはずであり、図7のセットアップでangleを90度にした場合と10度にした場合で観測数に違いが観測されるはずである。そこで、統計的な議論を行うために、FADC波形の立ち上がり３ビン分のテンプレート波形との違いを標準偏差の積算（accumulated sigma）を定義し、その分布を図12に示す。ここで、仮にaccumulated sigmaが3.0以上をチェレンコフ光が含まれる事象であると考えると、チェレンコフ光が入射しやすい90度の場合で、チェレンコフ光を含む事象の割合は25.3 ± 3.3%、入射しにくいと考えられる10度の場合で17.2 ± 4.5%となり、その差は1.5 σとなった。従って、差があると結論づけるには統計量が少ないものの、おそらくチェレンコフ光は観測できていると考えている。今回の測定では、アニソールの観測において、紫外線カットフィルターによる波形の違いを確認していないため、図９の右図の波形がチェレンコフ光によるものと結論づけられていない。また、液体シンチレータの角度の違いによる差が統計的に有意であると言えず、そもそもチェレンコフ光を含む事象の割合が、アニソールだけで測定した際に観測された角度依存性から予想される割合の差よりも少ないという問題が残っている。今後、これらの問題を解決できれば、 1 MeVの電子から放射されるチェレンコフ光をシンチレーション光と分離が可能となるため、208Tl崩壊事象を95%以上除去できることを実験的に実証する計画である。なお、本研究成果は、平成29年7月24日～ 28日にカナダ・オンタリオ州サドベリーで開催されたTAUP 2017  — XV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physicsにおいて口頭発表を行った。本研究は、科学研究費補助金新学術領域研究(研究領域提案型) 24104501、26105502、基盤研究(C)24540295、及び平成28年度宮城教育大学学長裁量経費、平成29年度高エネルギー加速器科学研究奨励会研究助成の援助を受けて実施しました。 [1] H. Kawakami et al , Physics Letters B 187 (1987) 198-204. [2] Ch. Weinheimer et al. , Physics Letters B 460 (1999) 219-226. [3] V.M Lobashev et al ., Physics Letters B 460 (1999) 227-235. [4] N. Ackeman et al. (EXO Collabotration), Physical Review Letters 107 (2011) 212501, GERDA Collaboration, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 42 (2015) 115201, J.Argyades et al., Nuclear Physics A 847 (2010) 168-179. [5] A.Gando et al. , Physical Review Letters 117 (2016) 082503. [6] Y. Fukuda, S. Moriyama and I. Ogawa, Nuclear Instruments and Methods A 732 (2013) 397. [7] J. Caravaca, et al., Physical Review C 95 (2017) 055801. [8] Y. Fukuda, Journal of Physics: Conference Series 718 (2016) 062019.
高工ネルギー加速器研究機構加速器研究施設小林幸則高エネルギー加速器セミナー、OHOは1984年以来、将来の高エネルギー加速器をになう若手研究者の育成と、一般企業の研究者の加速器科学への理解を深めることを目的として、毎年開催されてきました。日本の加速器科学分野の第一線で活躍中の各分野の専門家が、その年のテーマ毎に最先端の加速器科学を基礎から講義しています。 2017年9月5日～ 8日までの4日間にわたり「マイクロ波の基礎」と題して、KEKに於いて開催され、企業、研究所、技術者、大学などの研究者、大学院生、大学生など103名が全国から参加しました。 「マイクロ波」に関するテーマは、過去のセミナーでも何度か取り上げてはおりますが、高エネルギー加速器にとって必須の技術であると考え、再度基礎から学ぼうということで選びました。今年のOHOの特筆すべき点は、最終講義まで参加者が熱心に拝聴していたこと、多くの参加者から積極的に次回のセミナーで取り上げて欲しいテーマや、セミナーへの希望などをアンケートに記載いただきました。プログラムには施設見学もあり、電子陽電子入射器棟（LINAC）、放射光施設（PFリング)、そしてコンパクトERLを見学しました。またOHOの呼びものの一つである「夜話」（講義ではなく先輩研究者の方の経験談などを伺う）では、高エネルギー加速器研究機構・名誉教授より大変興味深いお話をしていただき大好評でした。 TIA連携大学院サマー・オープン・フェスティバルの一環となり、他機関と連携しながら、若手研究者育成のさらなる可能性を広げていくことが期待されています。
1.開催日時平成29年10月12日（木）14：00 ～ 17：00 ……… 34名の参加2.開催場所アルカディア市ケ谷（私学会館） ６階阿蘇東住所東京都千代田区九段北４－２－２５ ＴＥＬ　０３－３２６１－９９２１（代表） 3.演題等講　演.　1　「IFMIF原型加速器の現状と核融合中性子源（A-FNS）計画」講演者池田　佳隆　氏国立研究開発法人六ケ所核融合研究所副所長
1982年に当時の日本原子力研究所に入所し、大型プラズマ実験装置JT-60において、周波数、100 MHz帯、2 GHz帯、1 10GHz帯の3種類の高周波加熱装置の開発とそれらを用いたプラズマ加熱実験に従事。その後、中性粒子ビーム加熱開発のグループリーダを務め500keV、32 A負イオン源を中心とした開発に従事。さらに日欧との共同事業であるJT-60の超伝導化計画JT-60SAの建設担当を経て、2016年4月より六ヶ所研に着任し、日欧で進めるIFMIF原型加速器開発（LIPAc）を含む六ヶ所研の研究管理を担当。これまで携わった高周波加熱技術や粒子ビーム技術等を活かし、大電流加速器であるLIPAc及びその技術を基にした先進核融合中性子源（A-FNS）計画を進めていきたいと思っている。講演要旨　日欧共同で進めている9 MeV,125 mA重水素ビームのR&Dを行うIFMIF原型加速器(LIPAc)の現状とともに、その技術を用いた先進核融合中性子源（A-FNS）計画について報告する。国立研究開発法人核融合エネルギー研究開発部門六ヶ所核融合研究所副所長講演者辻本　和文　氏日本原子力研究開発機構　原子力基礎工学研究センター　分離変換技術開発ディビジョン（兼）J-PARCセンター　核変換セクション講師略歴　専門分野は、原子炉物理。1996年に当時の日本原子力研究所に入所以来、加速器駅動システム(ADS)の研究開発に携わっている。核変換システムだけでなく、分離変換技術全体の研究開発を進めていくことが目標。講演要旨　分離変換技術は、原子力発電で使用した使用済み核燃料の処分に関する管理負担の低減に有効であると考えられている。日本原子力研究開発機構で、核変換システムの一つとして研究開発を行っている加速器駆動システム(ADS)について、現在の研究開発の状況や将来計画について報告する。日本原子力研究開発機構原子力基礎工学研究センター分離変換技術開発ディビジョン(兼) J-PARCセンター　核変換セクション•講演の詳細につきましては、奨励会ホームページ(ホームページ:http://www.heas.jp)をご覧ください。
30年度の最終のものに関する定時評議員会の終結の時（平成31年5月下旬）までとする。役員（理事）
30年度の最終のものに関する定時評議員会の終結の時（平成31年5月下旬）までとする。
物質の構造、物は何からできているか,物質世界の基本法則・自然界の力の探求。原子核のはたらきと構造の究明物理、化学、生物など全ての基礎科学発（行公益財団法人高工ネルギー加速器科学研究奨励会子305-0801つくば市大穂1-1高工ネルギー加速器研究機構内(職員会館2F) TEL・FAX8029-879-0471 E-mail 8 info@heas.jp URL 8 http://www.heas.jp/