Hyper-Kamiokande

Hyper-KamiokandeはSuper-Kamiokandeの後継機であり、 現在日本の岐阜県に建設されている。 およそ258,000 トンの水をもって、 この方式としては最大の検出器となる。 これは先行機のおよそ8倍である。

方式

原理は2015年のノーベル賞の基礎となったものと同じである。 非常に純度の高い水をたたえた大きなタンクが山の深部に置かれる。 ニュートリノが電子または原子核に当たると荷電粒子が生じ、 その粒子は水中でこの媒質中の光より速く運動する。 その際に粒子は光の円錐を後ろに引きずり——これがチェレンコフ放射である——、 その円錐がタンクの壁面に輪を描く。

輪の位置から方向が、 その明るさからエネルギーが、 その鋭さから粒子の種類が分かる。

タンクは直径およそ68 メートル、 高さ71 メートルである。 これまでの場所から数キロメートル離れた二十五山の地下およそ600 メートルにある。

大きいだけではない

利点は体積だけにあるのではない。 新しい光センサーはこれまでの管のおよそ2倍の検出感度と、 明らかに優れた時間分解能をもつ。

この二つが合わさると次のことを意味する。 事象の数が増えるだけでなく、 一つ一つが鋭くなるのである。 事象の再構成はより精確になり、 電子とミューオンの区別はより確実になる。 そしてそのどちらも主要な問いにとって決定的である。

主要な問い——CP対称性の破れ

T2Kのときと同じく、 この検出器は295 キロメートル離れた東海の加速器施設J-PARCからのニュートリノビームの標的となる。 ビームの出力は1.3 メガワットまで高められる予定である。

問いはこうである。 ニュートリノと反ニュートリノはふるまいが異なるのか。

その背後には、 そもそも最大級の未解決の問いの一つがある。 ビッグバンでは物質と反物質が同じ量だけ生じ、 互いに残らず対消滅したはずである。 物質が存在すること——したがって恒星も惑星もわれわれも存在すること——は非対称性を要求する。 クォーク部門ではそのような非対称性が知られているが、 まったく足りない。

レプトン部門が次に探す場所である。 T2Kは2020年に最初の手がかりを与えた。 Hyper-Kamiokandeは5倍の有意性でこの問いに決着をつけることになっている。

検出器がそのほかに果たすこと

超新星。われわれの銀河系で恒星が爆発した場合、 共同研究グループは数秒のうちに数万の事象を予期している。 比較のために言えば、 SN 1987Aが全世界で与えたのは合わせて24事象である。 そのようなデータ量があれば、 恒星中心核の崩壊をほとんど映画のようにたどることができる。 1秒ごとに、 エネルギーと方向とともにである。

さらに拡散超新星ニュートリノ背景、 すなわち宇宙の歴史におけるすべての恒星爆発の総和の探索も可能になる。 それは数十億年にわたる星の形成を見わたすことになるであろう。

陽子崩壊。神岡の検出器がかつて出発点とした問いは、 いまも未解決である。 Hyper-Kamiokandeは陽子の寿命の下限をおよそ一桁引き上げるとされている。

大気ニュートリノと太陽ニュートリノ。検出器はビームがなくても稼働を続け、 大気ニュートリノと太陽ニュートリノを大きな統計で測定する。 地球を通り抜けることから、 さらにニュートリノ質量の順序を絞り込むことができる。

同じ目標への二つの道

Hyper-KamiokandeとDUNEは同じ問いに異なる技術で取り組む。 水と液体アルゴン、 距離は295 キロメートルと1,300 キロメートルである。

これは競走ではなく、 良い作法である。 両方の配置は異なる系統的な弱点をもつ。 一方は地殻を通り抜ける際のMSW効果に対してより敏感であり、 他方は事象をより詳細に見る。 両者が同じ結果に達すれば、 その結果は信頼できる。

現状

空洞の掘削は2021年に始まった。 現在の計画では、 運転はこの10年の終わりごろに開始される予定である。 20 か国以上から数百人の研究者が参加している。

関連項目

• Super-Kamiokande — 先行機
• DUNE — アメリカにおける対応物
• T2K — 東海からのビーム
• 梶田隆章 — 先行検出器によるノーベル賞

出典

• Hyper-Kamiokande共同研究グループ: Hyper-Kamiokande Design Report, arXiv:1805.04163 (2018).