Super-Kamiokande
Super-Kamiokandeは日本の岐阜県、 池ノ山の地下1,000 メートルにあるニュートリノ検出器である。 1998年、この装置によってニュートリノ振動の最初の信頼できる検出が達成され、 それによってニュートリノが質量をもつことが証明された。
構造
タンクは直径39 メートル、 高さ42 メートルの円筒で、 きわめて純度の高い水50,000 トンで満たされている。 壁面には、 それぞれ直径半メートルの光電子増倍管が1万1千本以上取り付けられている。 これは量産されたものとしては史上最大である。
検出原理はチェレンコフ放射である。 ニュートリノが電子または原子核に当たると、 荷電粒子が生じる。 この粒子が水中の光より速く動くと（水中の光は真空中より遅いため、これは許される）、 船の舳先波のように、 その後ろに光の円錐を引きずる。
タンクの壁面には、 この円錐が輪を描く。 その位置から方向が、 明るさからエネルギーが、 鋭さから粒子の種類が分かる。 電子は進む途中で散乱してぼやけた輪をつくり、 ミューオンはまっすぐ進んで鋭い輪をつくる。 まさにこの区別が1998年の発見にとって決定的であった。
その上の岩盤は水にして2,700 メートルに相当し、 宇宙線ミューオンの大部分を遮る。
1998年の発見
検出器は1996年4月に運転を開始した。 その2年後、 梶田隆章がこの施設を有名にした結果を発表した。
大気ニュートリノはあらゆる方向から到来する。 上からは15 キロメートルの飛行距離を経て、 下からは地球を貫く13,000 キロメートルを経て届く。 Super-Kamiokandeは、 上からは期待どおりの数のミューニュートリノを検出したが、 下からはその約半分しか検出できなかった。 電子ニュートリノにはそのような欠損は見られなかった。
入射角への依存性こそが本当の証明であった。 検出器の不具合であれば上でも下でも同じように働いたはずであり、 飛行距離に依存する変換はまさにこのように働く。
2001年の事故
2001年11月12日、 保守作業ののちタンクに水を再充填している最中に、 深部で光電子増倍管の1本が爆縮した。 圧力波が隣の1本を巻き込み、 さらにその次を巻き込んだ。 数秒のうちに連鎖反応が1万1千本のうち約6,600本を破壊した。
損害は数百万ドルに上り、 計画の終わりになりかねなかった。 共同研究グループは残った管をタンク全体に配置し直し、 1年以内に半分の実装密度で運転を再開した。 2006年までに全数が交換され、 それ以来すべての管はアクリルとガラス繊維の保護カバーを備えており、 このようなドミノ効果が二度と起こらないようになっている。
検出器のそのほかの成果
太陽ニュートリノ。Super-Kamiokandeは放射化学的な方法とは異なり、 実時間で、 かつ方向の情報とともに測定する。 ニュートリノが太陽の方向から来ることは実証されている。
ビーム実験。2010年以来、 この施設はT2Kの標的点となっている。 295 キロメートル離れた東海から送られるニュートリノビームである。 これにより2013年、 ミューニュートリノビームの中に電子ニュートリノが出現することが初めて検出された。
陽子崩壊。先行する検出器の当初の問いは、 いまも追究されている。 何も見つかっておらず、 陽子の寿命の下限はいまや10³⁴ 年を超えている。
超新星への備え。われわれの銀河系で星が爆発すれば、 検出器は数千個のニュートリノを捉えるだろう。 これは天文学者のための世界的な早期警報網の一部である。
ガドリニウム
2020年以来、 水にはガドリニウムが混ぜられている。 この元素は中性子を捕獲し、 その際に特徴的な光信号を放つ。
利点は大きい。 これにより逆ベータ崩壊を二重信号によって識別し、 反ニュートリノをニュートリノから確実に区別できる。 そこから拡散超新星ニュートリノ背景の探索が開かれる。 これは宇宙の歴史におけるすべての恒星爆発の総和である。
後継
Hyper-Kamiokandeは現在建設中であり、 約258,000 トンの水でおよそ8倍の容量をもつ予定である。 Super-Kamiokande自身は運転を続ける。
関連項目
- 梶田隆章 — 1998年の発見
- 小柴昌俊 — 先行する検出器
- チェレンコフ放射 — 検出原理
- T2K — 東海からのビーム
- Hyper-Kamiokande — 後継機
出典
- Super-Kamiokande共同研究グループ（Y. Fukuda ほか）: Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Super-Kamiokande共同研究グループ: First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).