スーパーカミオカンデの光センサーはニュートリノを光の閃光として検出します。 Credit: Asahi Shimbun/Getty
日本の地下ニュートリノ観測所スーパーカミオカンデに入った幸運な人たちは、1万1000個の巨大なオレンジ色の目を前にします-この種のニュートリノ検出器の中では、圧倒的に世界一です。 これらの光センサーは、通常5万トンの純水に浸かっているため、見る機会はめったにありません。 しかし、1月に完了したSuper-Kの大規模な改修は、この科学の壮大な大聖堂の中を覗く貴重な機会を提供しました。
10年以上ぶりに、6月から1月の間に、11億円（1000万米ドル）の改修の一部として、検出器から水が抜かれました。 とりわけ、このアップグレードによって、Super-Kは離れた超新星から放出されるニュートリノを探索することができるようになります。 天文学者は、宇宙における超新星の歴史をよりよく理解するためにこのデータを欲しがっていますが、超新星が放出するニュートリノはこれまで検出することが困難でした。 東京大学の物理学者である中畑氏は、アップグレードによって、検出器は毎月数個のこれらの「遺物」ニュートリノを数えることができるようになるはずだと言います。 その内部では、太陽や大気から地中を流れてくるニュートリノや、数百キロメートル離れた粒子加速器から送られてくるニュートリノを、水の分子がキャッチしています。 今年の後半には、この水の中に希土類金属のガドリニウムを加える予定です。
1987年、スーパーカミオカンデ検出器（スーパーカミオカンデの前身）は、初めて超新星からのニュートリノを検出しました。 12個のニュートリノは，天の川銀河の周りを回る小さな銀河である大マゼラン雲で起こった超新星1987Aから来たものであった。 実験責任者の小柴昌俊は、この発見により2002年のノーベル物理学賞を受賞しています。
Super-K検出器内部の物理学者中畑雅之氏。Credit: Noah Baker/Nature
ほとんどの太陽ニュートリノは高速で水分子から電子を叩き出すことによって姿を現し、それによって微弱な閃光を発生します（これがSuper-Kの「目」が見るものです）。 しかし、他のニュートリノ、特に超新星放出の大部分を占める反ニュートリノは、電子とではなく原子核の中の陽子と反応します。 この衝突によって、中性子と、電子の反物質版である陽電子が放出されます。 陽電子の信号は、検出器にとって太陽ニュートリノからの電子の信号と区別することが困難です。
New power
ガドリニウム原子核は、水の水素や酸素の原子核よりもはるかに効果的に浮遊中性子を捕獲し、それらが発するγ線は、スーパーKが別の閃光として検出しやすくなっているのです。
オハイオ州立大学コロンバスの理論宇宙物理学者ジョン・ビーコムと、現在日本の柏市にあるカブリ数物連携宇宙研究機構のSuper-K実験者マーク・ベイギンスは、2000年代初頭にSuper-Kにガドリニウムを添加することを思いつきました1。 ガドリニウムは小規模のニュートリノ実験では使われていましたが，水検出器では使われたことがありませんでした。 最大の課題は、検出器の水を連続的にろ過して不純物を除去し、同時にガドリニウムを除去できるかどうかだったと、ベージンズ氏は言います。 彼はこのアイデアがうまくいくことを実証するために10年にわたる努力を続け、600万ドルのニュートリノ検出器を作りました。この検出器はユーモラスに「Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems（EGADS）」と呼ばれています。 その努力の重要な部分は、新しいタイプの水システムを発明する必要がありました。
2015年までに、BeacomとVaginsは、次のアップグレードにガドリニウムを含むように共同研究者を説得しました。 改修のその部分は、非公式に「ガドリニウム・アンチニュートリノ検出器が熱心に古いカミオカンデを上回る、超！」として知られています。 (GADZOOKS!)とエクスクラメーションマーク付きで呼ばれています。 (Egadsと同様、Gadzooksはスーパーヒーロー漫画で驚きを表すのによく使われる。)
スーパーKはすでに大きな成功を収めている。 運転開始から2年後の1998年、検出器はニュートリノと反ニュートリノが3つのフレーバーの間で「振動」する、あるいは循環することができるという最初の確かな証拠を提供しました。 この発見は、素粒子物理学の標準モデル（宇宙の粒子と力を説明するモデル）の修正を理論家に迫り、多くの新しい疑問を投げかけることになった。 (中畑の同僚でスーパーKの元リーダーである梶田隆章は、ニュートリノ振動の発見で2015年のノーベル物理学賞を分かち合っている。)
「Super-Kは、ヒッグス粒子を発見したCERNの衝突型加速器LHCと同じくらい、いやそれ以上に素粒子物理に影響を与えています」と、ケンブリッジのマサチューセッツ工科大学のニュートリノ物理学者ジャネット・コラッドは言う
「Super-Kが今ガドリニウムを注入して起動していることに感激しています」
。 物理学はとてもエキサイティングだと思います」とコンラッド氏は言います。 「また、私の友人であるMark VaginsとJohn Beacomのことも嬉しく思っています。 9189>
ハイパーK
スーパーカミオカンデが再出発したときでさえ、日本の物理学者はハイパーカミオカンデというさらに大きな兄弟を推し進めようとしています。 東京大学はこの550億円のプロジェクトに肩入れしており、研究者は現在、国が資金を出すかどうかの連絡を待っている。 8月には決定が下される予定だ。
「2年以内にハイパーKの建設を開始し、2027年くらいに運転を開始することを目指しています」と、プロジェクトリーダーで、長年スーパーKの共同研究を行ってきた東京大学の物理学者、塩沢正人氏は言います。
この違いを理解するための重要なステップは、ニュートリノと反ニュートリノの間の非対称性、特に反ニュートリノがその3つのフレーバーを循環する速度とニュートリノのそれとの違いを測定することだと理論家は言っています。 スーパーカミオカンデは、粒子加速器から地殻を通して発射されたニュートリノを用いて、すでにそのような違いの強いヒントを得ているが、ハイパーKはより正確な測定を行うことができるだろう。