| K2K -from KEK to Kamioka- Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment |    |
| K2K -from KEK to Kamioka- Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment | |
ニュートリノとは何か?
電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノはそれぞれ何が違うのか?
太陽ニュートリノとは何か?
太陽ニュートリノ問題とは何か?
大気ニュートリノとは何か?
大気ニュートリノ問題とは何か?
ニュートリノに質量があったとして、それがなぜ重要なのか?
"ニュートリノ振動" とは何か?
スーパーカミオカンデとは何か?
水チェレンコフ検出器とは何か?
KEKとは何か?
K2Kとは何か?
どのようにしてニュートリノビームを作るのか?
シンチレーティングファイバー(Sci-Fi)トラッキング検出器とは何か?
鉛(Pb)ガラス検出器とは何か?
ミューオン検出器とは何か?
GPSとは何を表すのか?
ニュートリノがKEKからスーパーカミオカンデまで到達するのに要する時間はどのくらいか?
どうしてスーパーカミオカンデで検出されたニュートリノがKEKからやって来たと言えるのか?
ニュートリノの速さを測定することで、ニュートリノの質量を知ることはできるか?
どのようにしてK2Kの実験からニュートリノの質量を決定するのか?
ニュートリノは安定な、原子より小さな粒子(subatomic particle)だ。 宇宙はニュートリノで満ち満ちており、 １立方センチメートルに１０億個ものニュートリノが存在している。 しかしながら、 それらのニュートリノは観測できないくらい小さなエネルギーしかもっていない。
ニュートリノは1930年代に導入されたが ( ニュートリノの歴史を参照のこと)、実際に実験で観測されたのは 1956年であった。 1998年以前の実験においてはニュートリノに質量がないことと 矛盾はなかったが、理論家達はニュートリノが質量を持つ可能性について 長い間考え続けていた。
ニュートリノは、自然界の基本的構成要素たる 基本粒子である。 また、４つの力（重力、電磁気力、核力の中の強い力と弱い力）が確認されているが、 それらの力は（原子の大きさよりずっと小さな）極短距離において 統一されると信じられている。 基本粒子には１２種類ある。 つまり、６種類のクォーク（強い力によって相互作用する、電気的荷電を持つ粒子）と ６種類のレプトン（弱い力によって相互作用する粒子）である。 どの基本粒子にもそれぞれ対応する反粒子がある。 [先頭へ戻る]
６種類のレプトンをさらに詳しく分類する。レプトンは ３個の電気的荷電を持つレプトン（電子、ミューオン、タウ）と ３個の電気的中性なレプトン（電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、 タウニュートリノ）とに分けられる。 どのニュートリノも対応する"フレーバー"の荷電レプトンと関係している。 例えば、ミューオンニュートリノが原子核（実際には原子核内のクォーク）と 弱い力を通じて相互作用するときには、ミューオンが生成される。 それで、相互作用したときに生成される荷電レプトンによって それぞれのニュートリノを同定することができる。 [先頭へ戻る]
太陽は核融合によって燃えているが、 そのときにニュートリノが生成される。 太陽内部の核融合過程で生成されるのは電子ニュートリノ（と反ニュートリノ） だけである。これらを 太陽ニュートリノ という。太陽ニュートリノは20 MeV程度以下の比較的低エネルギーしか もたない。 [先頭へ戻る]
1960年代後半以降、太陽ニュートリノを測定する実験が行われてきたが、 観測されたのは太陽の理論計算から期待されるニュートリノの数の半分程度 であった。 太陽内部の核融合物理は、Hans Betheが1940年代初頭に初めて理論計算を 行って以来、詳細にわたって研究されてきた。 太陽の働きについては非常に詳しく理解されていると思われているので、 太陽ニュートリノの欠損は非常に理解しがたいものだった。 様々な太陽ニュートリノ観測の結果には有意な誤差やバイアスは 特に見られなかったのだ。 理論家達によって、一般的に認められている基本的な物理を大きく逸脱しない限り、 太陽ニュートリノの欠損を説明する太陽模型を編み出すことはできないと いうことが示されている。 [先頭へ戻る]
大気ニュートリノとは、大気中で高エネルギー宇宙線と 大気を形成する原子核とが衝突することによって生成されるニュートリノのこと である。 衝突によって生み出された粒子がニュートリノを伴って 崩壊するのだ。
宇宙線とは、我々の銀河系内の超新星爆発による衝撃波によって加速され 高エネルギーになった陽子や原子核のことである。 これらの粒子は地球の大気まで一様にやってくる。 これは、粒子の経路が銀河の磁場によって "支配されている"ためだ。 つまり、宇宙線は発生点を"記憶"していない。 大気ニュートリノに関連する宇宙線の強度とエネルギースペクトラムは 何十年も詳細に研究されている。
これらの結果から、 大気ニュートリノ はあらゆる方向から一様にやってくることがわかる。また、 大気ニュートリノの発生量とエネルギースペクトラムは、 加速器実験で詳細に研究されている粒子-原子核相互作用に対するあらゆる点を 考慮した上で、よく知られた宇宙線のエネルギースペクトラムから導くことができる。 [先頭へ戻る]
太陽ニュートリノのように、大気ニュートリノを研究している実験は たくさんある。そしてどの実験でも同じように異常が見つかっている。 ニュートリノに崩壊する粒子の性質から、大気ニュートリノには ミューオンニュートリノと電子ニュートリノとの比が２対１で 含まれていると考えられる。 ところが、実験ではミューオンニュートリノと電子ニュートリノとはほぼ同数 であった。 こうして再び太陽ニュートリノの場合と同じような問題に突き当たった。 多くの実験データに基づく理論的模型を詳細に検討しても、 ニュートリノ比は２対１だった。 そして、実験には全く問題を見つけることができなかった。 [先頭へ戻る]
もしニュートリノに質量がなければ、風変わりな理論でないと 太陽ニュートリノ問題や大気ニュートリノ問題を解決できないし、 大概の場合、太陽ニュートリノ問題と大気ニュートリノ問題とを同時には 説明できない。
一方、ニュートリノは厳密には零質量ではないというアイデアが長年研究 されており、この帰結であるところの"ニュートリノ振動" によってどちらの問題もうまく解決できる。 ニュートリノの質量は、自然界の基本的描像である " 素粒子の標準模型"に対する最小限の修正である。 ニュートリノに質量があるということは、 （すべてのクォークと荷電レプトンが異なる質量をもつことと共に） 自然界におけるある種の対称性の破れなのだろう。 素粒子の標準模型にはニュートリノの質量は含まれていないが、 ニュートリノに質量があるというニュースは容易に受け入れられた。 実際、1998年にスーパーカミオカンデによってニュートリノの質量に対する 証拠が発表されて以来、今では多くの物理学者がこの見解を認めている。
もしニュートリノに質量があれば、ニュートリノの質量の階層性 （異なるフレーバー間の質量差）を、例えばクォークに対して 近似的に知られている質量公式と比較できれば非常におもしろいだろう。 [先頭へ戻る]
ニュートリノが質量を持ち、且つそれらの質量が厳密には等しくないとすれば、 観測されるニュートリノのフレーバー状態は（直接には観測されない）質量固有状態 の混合状態になっているはずであることが、基本的な量子力学の教えるところである。 したがって、ある１つのニュートリノを考えるとそれは電子ニュートリノ、 ミューオンニュートリノ、タウニュートリノの混合状態のように 振る舞うだろう。そして、観測されるニュートリノは測定する場所に依存してしまう。 言い換えると、はじめに100%のミューオンニュートリノビームを用意したと 思っても、ある距離を走っている間に（ニュートリノのエネルギーに応じて） ニュートリノは電子ニュートリノやタウニュートリノとして見えてしまう。 この現象は ニュートリノフレーバー混合と呼ばれる。 こういうことが起こるのは、ニュートリノが純粋なフレーバー固有状態になく "真に"質量固有状態の混合状態になっているからである。 このことは、ある方向に偏光された光を別の方向から観測してもやはり ある程度は観測できるという事実と類似のことである。
ニュートリノ振動は、ニュートリノが質量を持てば、真空中であっても 起こる。しかしながら、ニュートリノが地球や他の高密度の物質を通過 してくるときには、ニュートリノは電子で一杯の環境下に置かれる。 したがって、ミューオンニュートリノやタウニュートリノの振動には 変化はないが、電子ニュートリノの振動には変化が生じる。 この効果は、"物質による増大"効果、あるいは この現象を述べた理論家の頭文字をとって"MSW"効果と言われる。 [先頭へ戻る]
スーパーカミオカンデとは世界最大のニュートリノ検出器のことである。 スーパーカミオカンデは、50,000トンの高純度の水を湛えたタンクから成る。 これほど大きなタンクが必要なのは、ニュートリノの相互作用が非常に弱く、 やってくるニュートリノのうち極小数しか反応しないためだ。 水は安価でニュートリノの標的にもなるし水チェレンコフ光の媒質にもなるので、 ニュートリノ検出のためには理想的な物質である。
スーパーカミオカンデは、北-中央日本の鉱山、神岡町の近くにある。 東京からは約250 km離れている。 検出器は 荷電宇宙線から守るため地下に設置されている。 そうしないと、電気的に捕捉されたデーターが宇宙線のノイズで埋まってしまう。 1980年代に始まったカミオカンデは同じ鉱山にある。 カミオカンデ（Kamiokande）とは"Kamioka" "N"eutrino "De"tector Experiment (元々はKamioka Nucleon Decay Experimentつまり陽子崩壊検出を意図した プロジェクトだった）から名付けられている。 "スーパーカミオカンデ"は、活動を停止したカミオカンデより １桁大きいサイズであることから名付けられた。
1998年の６月、スーパーカミオカンデは大気ニュートリノの研究に 基づいて "ニュートリノ振動の証拠を発見した"と発表した。 この発表は マスコミに大きな興奮をもって迎えられた。 このニュートリノ振動の結果は Physical Review Letters誌に掲載されている。 [先頭へ戻る]
粒子が真空中の光速の速さcに近い相対論的な速さで 走るときには、物質中の光速より速く走ることがある。 屈折率をnとして物質中の光速はc/nとなる。例えば、純水の屈折率は1.33で このことから水中での光速は真空中の光速の3/4であることがわかる。 物質中をc/n以上の速さで走る荷電粒子は須くチェレンコフ角で特徴づけられる 円錐形のチェレンコフ光を放出する。 チェレンコフ光 とは、衝撃音に対する電磁気的な類似物、光の衝撃波と言ってよい。
水タンクの壁に光検出器を取り付ければ、荷電粒子が放出した チェレンコフ光を特徴的なリング形の光のパターンとして観測できる。 スーパーカミオカンデの幅40m、高さ40mの水タンクには、11,000本を超える 光電子増倍管が取り付けられている。それらの光電子増倍管はチェレンコフ光 １個の光子に反応することができる。 [先頭へ戻る]
KEKは日本の国立高エネルギー実験施設で、東京の北東約40 kmに位置する 筑波研究学園都市にある。 KEKには12 GeVの陽子ビームを生成できる陽子シンクロトロン加速器がある。 1999年にKEKではスーパーカミオカンデに打ち込むためのニュートリノビームライン が完成した。 [先頭へ戻る]
K2Kとは "K"EK to ("2") "K"amiokande を表している。 K2Kは日本-韓国-アメリカの共同研究プロジェクトである。 KEKのニュートリノビームは地中を通ってスーパーカミオカンデに 向かっている。 このニュートリノビームは、"実験室で管理された" ニュートリノ源を用いているので、大気ニュートリノから得られた スーパーカミオカンデの結果をチェックできる。 地中に入り込む前のニュートリノビームの性質を観測するために、 KEK側にも"前置検出器"が建設されている。 [先頭へ戻る]
KEKでは、 12 GeVの陽子ビーム が" ２台の電磁ホーンシステム"の一部であるアルミニウム標的に 向けられている。 陽子ビームと標的との相互作用によって大強度の二次粒子のジェットが 作り出される。 電磁ホーンは大きなアルミニウムでできており、 トロイダル（ドーナッツ）状の強磁場を生み出すように 大強度のパルス電流を流している。 これらの電流や磁場、電磁ホーンの形状は、200mもの長さの崩壊パイプ中で ミューオンニュートリノに崩壊する二次粒子を収束させ、 他の粒子を追い出したり吸収したりするようにデザインされている。 崩壊パイプの終端には鉄製の吸収体ブロックと崩壊パイプ中で崩壊しなかった 全粒子を止めるために地中に100mパイプがのびている。 そうして、ビームはほとんどミューオンニュートリノとなり地中に向けて約１°の 角度で照準が定められている。
この時点でニュートリノビームは " 前置検出器"のある実験ホールに入っていく。 この実験ホールはスーパーカミオカンデのミニチュアである1000トンの 水チェレンコフ検出器と"Fine Grained Detector"(FGD)と 呼ばれる他の検出器から成る。 FGDはシンチレーティングファイバー検出器と鉛ガラス検出器、ミューオン検出器 から成っている。前置検出器ではニュートリノビームのサンプルを取り、その 性質を決めるのに用いられる。 前置検出器を通過した後でニュートリノビームは地中に入ってゆき、250 km離れた スーパーカミオカンデで姿を現わす。 [先頭へ戻る]
アクリルプラスチックに螢光性の物質を添加すると、 荷電粒子が通過するときに紫外線が放出されるようになる。 そのような"シンチレーター"（発光体）は細い光ファイバーに 加工でき、ファイバーシートを作るのに用いられる。 シンチレーティングファイバー(Sci-Fi)シートを感度のよいカメラで観察し、 光ったファイバーを特定することで、荷電粒子の通った場所を決定できる。 K2KのSci-Fi検出器には、それぞれが4つのシンチレーティングファイバーシート レイヤーから成る20個のファイバーモジュールがある。 レイヤーは束になっており、影像増倍装置を通して24ヶのカメラで観察されている。
Sci-Fiモジュールは、ニュートリノと反応する標的物質である水が 入っているタンクに積載されている。Sci-Fi検出器で観測された反応が1000トンの 水チェレンコフ検出器で観測されたものと一致しているかどうかを 確かめるために水が使われている。 [先頭へ戻る]
鉛(Pb)の含有率の高いガラスは高密度でしかも反射率が大きい。 それで鉛ガラスに入ってくる電子は"カスケード"を起こし 短距離でエネルギーを失う。そうしてチェレンコフ放射によって 大量の光が発生する。 以前のKEKの実験から回収された 鉛ガラス検出器 が、K2KのSci-Fi検出器の次に置かれている。 [先頭へ戻る]
ミューオンは、他の荷電粒子と異なり大量の物質を透過してしまうので 透過力の高い粒子と言われる。 したがって、ミューオンを特定することはむしろ易しい。 ビーム中に多量の物質を置き、何が現れるかを見ればよい。 これがK2Kのミューオン検出器の原理であり、やはり以前のKEKの実験から 回収された部品を使っている。 鉄製の20のレイヤーが比例計数管と呼ばれる粒子検出モジュールと共に はさみ込まれている。 ミューオン検出器はミューオンニュートリノの数を明確に決定するのに 役立つ。 [先頭へ戻る]
Global Positioning System (GPS)は、元々は軍隊の道案内の目的で アメリカ政府によって開発された。 しかしながら、今では１００万ものGPS受信機が世界中の一般市民に よって使われている。国際航空線、地上の交通機関、測量、 地球物理学と海洋学の研究やその他の応用は、GPSに依存している。
GPSは符号化された時間間隔や他の情報を継続的に送る27ヶの人工衛星で 成り立っている。 時間間隔は、GPS地上ステーションにある精密な原子時計からもたらされる もので、人工衛星の時計は継続的に訂正されている。 4つの人工衛星からの通信情報を同時に検出することによって、 時間的、空間的位置、つまり地理的座標と最新のUTC （ユニバーサル時、あるいはグリニッチ時）を受信機で計算する。 ひとたび位置を決定すれば、あとは１つの人工衛星だけから 正確な時間情報を追跡できる。
K2Kでは、非常に離れた２つの場所、つまりKEKとスーパーカミオカンデと での精密な時間を知る必要がある。 GPSの前は、原子時計を稼働させ、時間の同期が必要な２つの場所を 往復させる必要があった。 GPSはタダで--必要なのは比較的安価なGPS受信機といくつかの電気的接続器 だけで--高精度の絶対時データーを提供してくれる。 K2Kの時間同期システム では、100ナノ秒の精度が出せる。 [先頭へ戻る]
真空中の光速の速さc で(ニュートリノの質量は極めて小さく、 せいぜい eV であり、1 GeV のエネルギーをもつニュートリノは 超相対論的になっている)KEKからスーパーカミオカンデまで 825マイクロ秒かかる。 KEKにある標的に陽子ビームのパルス(あるいは"spill")がぶつかる 時間がわかれば、神岡にニュートリノが現れる時間を知ることができる。 [先頭へ戻る]
K2Kのニュートリノは、宇宙線から生じるたいていのニュートリノよりも 高エネルギーになっている。K2Kのニュートリノに特有なエネルギー領域で １秒間にほんの数事象が予測されるが、これらのうち大部分はニュートリノとは異なる バックグラウンドのノイズであることが明確に決定できる。
このエネルギー領域で、ニュートリノの方向に対して約10°の範囲に 荷電レプトンが生成されると予測できる。（ここで忘れてはならないのは、 ニュートリノ自身は見ることができず、ニュートリノによって生成されたもの しか観測できないということである。） したがって、スーパーカミオカンデで観測されるミューオンや電子は KEKの方向から約10°の範囲内になければならない。
最後に、GPS時間同期システムによってわかるニュートリノの到着時間に対して 数マイクロ秒の時間枠でKEKニュートリノ事象を探すようにする。 KEKから発射されるビームに対してはKEKでのGPS時間が測定されており、また スーパーカミオカンデで測定されたどの事象に対しても同様に 時間が記録されている。 ２つのGPS時間システムは（どちらのシステムも対照・バックアップ用に ２つずつ時計をもっている）自動的にGPSシステムと同期される。 [先頭へ戻る]
質量をもつニュートリノは、相対性理論の基本的要請により、 真空中の光速よりも遅い速さで走るわけだが、 その違いはK2Kで測定不可能なほど微々たるものである。 K2Kの時間同期システムは約100ナノ秒の精度しかもたないのだ。 しかしながら、この解像度は、粒子を特定するためには十分すぎるほどである。 [先頭へ戻る]
K2Kではニュートリノのフレーバーとエネルギーを前置測定器と スーパーカミオカンデで測定し、それぞれのミューオンニュートリノと 電子ニュートリノの割合を比較する。 もしこの比が異なれば、ニュートリノ振動の証拠となる。 しかしながら、スーパーカミオカンデでの大気ニュートリノの測定のように、 このような測定ではニュートリノフレーバー間の 質量差しかわからない。 この種の実験ではニュートリノの質量そのものはわからないのだ。
また、前置測定器でもスーパーカミオカンデでもタウニュートリノを 見ることはできない。したがって、ミューオンニュートリノと電子ニュートリノ だけを測定する。タウニュートリノへの振動は、スーパーカミオカンデでの 大気ニュートリノのデータのように、ニュートリノの消失として観測される。 [先頭へ戻る]
これ以上の情報は以下のページを参照のこと:
K2K official home page at KEK
Super-Kamiokande official home page at Kamioka Observatory
US Super-K home page at U. of Washington
K2K US home page at U. of Washington
K2K/Super-K home page at SUNY/Stony Brook
The following sites also have excellent web pages intended for non-specialists:
K2K/Super-K home page at Boston University
Super-K home page at UC/Irvine
Super-K home page at U. of Hawaii
| Maintained by M. Hashimoto, updated 06/24/2002 |
|
