ニュートリノ研究の最先端ニュートリノ研究の最先端

平成１平成１99年年66月月2727日日武蔵工業大学武蔵工業大学世田谷キャンパス世田谷キャンパス

東北大学大学院理学研究科東北大学大学院理学研究科ニュートリノ科学研究センターニュートリノ科学研究センター

古賀真之古賀真之

内容

• ニュートリノについての説明• スーパーカミオカンデの成果• カムランド実験の成果• 地球ニュートリノの観測• これからの計画

ニュートリノって何？

• 素粒子の一つでとても小さい。（電子の質量の１００万分の１以下）

• 電荷をもっていない。• １９３０年にパウリ博士が予言。１９５０年代後半にライネス博士とコーワン博士が発見。

• 身の回りにたくさん存在。１平方センチメートルあたり毎秒６６０億個

• 物質とめったに反応しない。地球も簡単に通り抜ける。• 三種類のニュートリノとその半粒子が存在する。

ニュートリノの種類

タウ型反ニュートリノタウ型ニュートリノタウ型

ミュー型反ニュートリノミュー型ニュートリノミュー型

電子型反ニュートリノ電子型ニュートリノ電子型

反ニュートリノニュートリノ

＊電子型反ニュートリノは、原子の崩壊で生まれる。（例：原子力発電所におけるウラン等の核分裂）

ニュートリノは何処で生まれるの？

地球大気

スーパーカミオカンデ

30倍の有効体積

スーパーカミオカンデ建設時の写真

再建終了後のスーパーカミオカンデ（2006年4月23日）

ミューオンニュートリノ事象

スーパーカミオカンデの成果（１）大気ニュートリノの観測

ミューニュートリノの上向きが半分ぐらいに減っている。

SK-I 1489 days

スーパーカミオカンデの成果（２）太陽ニュートリノの観測

8B flux : 2.35±0.02±0.08[x 106 /cm2/sec]

= 0.465 +0.016-0.015±0.005データ

予想値

(5-20MeV、観測期間1496日)

ニュートリノ振動ニュートリノ振動

ニュートリノが飛んでいる途中で種類が変わる現象

ニュートリノに質量があるとき起こる

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆=→

)()()(27.1sin2sin)(

2222

MeVEmLeVmP e θνν µ

νe からνμへ変化する確率

νe

νμ ντ

太陽ニュートリノ（Super-K, SNO）原子炉ニュートリノ（KamLAND)

大気ニュートリノ（Super-K）

ニュートリノ３世代における振動現象

KamLANDKamLAND

• Kamioka• Liquid Scintillator• Anti-Neutrino• Detector

神岡液体シンチレーター反ニュートリノ検出器

KamLAND Collaboration•Tohoku University: K.Eguch, S.Enomoto, K.Furuno, J.Goldman, H.Hanada, H.Ikeda, K.Ikeda, K.Inoue, K.Ishihara, W.Itoh, T.Iwamoto,

T.Kawaguchi, T.Kawashima, H.Kinoshita, Y.Kishimoto, M.Koga, Y.Koseki, T.Maeda, T.Mitsui, M.Motoki, K.Nakajima, M.Nakajima, T.Nakajima,H.Ogawa, T.Sakabe, I.Shimizu, J.Shirai, F.Suekane, A.Suzuki, K.Tada, O.Tajima, T.Takayama, K.Tamae,H.Watanabe

•University of Alabama: J.Busenitz, Z.Djurcic, K.McKinny, D-M.Mei, A.Piepke, E.Yakushev•LBNL Berkeley: B.E.Berger, Y.D.Chan, M.P.Decowski, D.A.Dwyer, S.J.Freedman, Y.Fu, B.Fujikawa, K.M.Heeger, K.T.Lesko, K-B.Luk, H.Murayama,

D.R.Nygren, C.E.Okada, A.W.Poon, H.M.Steiner, L.A.Winslow•California Institute of Technology: G.A.Horton-Smith, R.D.McKeown, J.Ritter, B.Tipton, P.Vogel•Drexel University: C.E.Lane, T.Miletic•University of Hawai Manoa: P.W.Gorham, G.Guilian, J.G.Leanned, J.Maricic, S.Matsuno, S.Pakvasa•Louisiana State University: S.Dazeley, S.Hatakeyama, M.Murakami, R.C.Svoboda•University of New Mexico: B.D.Dieterle, M.DiMauro•Stanford University: J.Detwieler, G.Gratta, K.Ishii, N.Tolich, Y.Uchida•University of Tennessee: M.Batygov, W.Bugg, H.Cohn, Y.Efremenko, Y.Kamyshkov, A.Kozlov, Y.Nakamura•TUNL/ NCSU: L.De Braeckeleer, C.R.Gould, H.J.Karwowski, D.M.Markoff, J.A.Messimore, K.Nakamura, R.M.Rohm, W.Tornow, A.R.Young•IHEP Beijing: Y-F.Wang

KamLANDKamLANDのの目的目的

• 原子炉反ニュートリノ振動の検出によるニュートリノの質量の測定

• 地球内部反ニュートリノの検出による地球内部構造の解明

• 太陽ニュートリノの検出による太陽ニュートリノ問題の解明

KamLANDSuper-Kamiokande

KamLANDとニュートリノの関係

KamLANDKamLANDはエネルギーの低いニュートリノはエネルギーの低いニュートリノ

を捕まえるための装置を捕まえるための装置

エネルギー（メガ電子ボルト）

太陽ニュートリノ

原子炉ニュートリノ

地球ニュートリノ

大気ニュートリノ

０．１ １ １０ １００ １０００

Reactor neutrino observation

Reactor powerProton targetSignal detection

DepthBaseline

2001KamLAND70 GW (effective)1000 ton LS 1000 ton LS1879 PMTs1000m~180km

1956Reines and Cowan700 MW200 liters water1400 liters LS55 PMTs12m11m

The first neutrino observation

By many important improvementson knowledge of reactor neutrino and detection technique

At present

KamLANDKamLAND所在地所在地

１０００ｍ

•宇宙線の影響を避けるためできるだけ深い場所•（後で説明するように）原子力発電所からの距離が揃っている事

池の山（１３００ｍ）

KamLAND地下実験室

コンピュータ室＆制御室

電子回路室

ドーム

電源室

低濃度ラドン空気製造装置

原子炉反ニュートリノ検出原子炉反ニュートリノ検出

夜の地球

人間は沢山のエネルギーを消費して生活している。

世界の原子力発電所

KamLANDKamLAND周辺の原子炉周辺の原子炉

カムランドで得られた結果

世界で初めて原子炉ニュートリノで振動現象を観測した

地球地球ニュートリノニュートリノのの検出検出

地球の内部構造

地震波の伝わり方から内部構造は解っている。

地球内部のウラン（Ｕ）、トリウム（Ｔｈ）等の

放射性物質のβ崩壊によるエネルギー

地球が放出する熱の４０％

（地球の進化や内部の様子を決める重要な要因）

ウラン、トリウムのβ崩壊で放出されるニュートリノ（地球ニュートリノ）をＫａｍＬａｎｄで検出

↓

地球内部エネルギーの生成機構の解明へ！！

地球ニュートリノ

地球ニュートリノの観測結果

初めて地球内部からのニュートリノが観測された。

ベリリウム７太陽ニュートリノベリリウム７太陽ニュートリノ検出検出

太陽におけるエネルギーの生成は核融合反応によるもの

この時、沢山のニュートリノが発生する。

消えた太陽ニュートリノ

太陽から放出されたニュートリノを観測すると地球に届くと予想される数の半分以下しか検出できなかった。

３０年来の大問題！！

)861.0(77 MeVLieBe eν+→+ −

ベリリウム７太陽ニュートリノの検出

もっと液体シンチレーターをきれいにすれば観測できる。現在、装置建設中。 乞うご期待

大変困難でしたが、開発は無事終了。

カムランド蒸留装置

カムランドの成果まとめ

• KamLANDは世界で初めて原子炉反ニュートリノを検出。振動現象を観測した。

• 初めて地球内部からやってくる反ニュートリノを観測した。（今後、地球内部でのエネルギー発生メカニズムが解明されると期待！ニュートリノの応用）

• 太陽からのニュートリノを観測するために液体シンチレーターを再純化中。本年９月から観測開始

νe

νμ ντ

太陽ニュートリノ（Super-K, SNO）原子炉ニュートリノ（KamLAND)

大気ニュートリノ（Super-K）

ニュートリノ３世代における振動現象

短基線原子炉ニュートリノ（KASKA, 他）

ニュートリノ研究のこれから、

素粒子物理学的研究

・三世代における振動の解明（KASKA, 等）・粒子／反粒子の関係－マヨナラかディラックか？（CANDLES,EXO等

天体物理学的研究

・太陽ニュートリノ（Super-K, KamLAND, SNO）・超新星ニュートリノ（Super-K, KamLAND）

地球物理学的研究

・地球ニュートリノ（Super-K, KamLAND, SNO）