ニュートリノ（２）

ニュートリノ（１）からの続き

図：T2Kによるニュートリノ振動の研究（Geminiによる）

８．人工ニュートリノで振動を精密に測る：K2KからT2Kへ

なぜ人工のニュートリノを使うのか

太陽や大気のニュートリノは自然任せで、量・種類・エネルギー・方向を自分では決められません。加速器で作れば、

種類：ほぼ純粋なミューニュートリノ（または反ミューニュートリノ）

エネルギー：狙った値にそろえられる

方向と距離：発射地点から検出器まで固定

時刻：いつ撃ったかが正確に分かる

と、条件を「実験」として管理できます。

先駆け：K2K（1999〜2004年）

茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構（KEK）から、約250 km先のスーパーカミオカンデへミューニュートリノを撃ち込みました。到着したミューニュートリノは予想より少なく、大気ニュートリノで見つかった振動を、人工ニュートリノで初めて確認しました。

T2K（Tokai to Kamioka、2010年〜）

茨城県東海村の大強度陽子加速器施設J-PARCから、295 km先のスーパーカミオカンデへ撃ち込む実験です。

ニュートリノビームの作り方

30 GeVの陽子を黒鉛の標的に当てて、パイ中間子を大量に作る

電磁ホーンという磁石でパイ中間子を前方にそろえる

約100 mのトンネルの中でパイ中間子が崩壊し、ミューニュートリノになる

電磁ホーンの電流の向きを逆にすると、逆符号のパイ中間子が集まり、反ミューニュートリノのビームになります。これがあとで大きな意味を持ちます。

ニュートリノは地球を素通りするので、トンネルは要りません。ビームはわずかに下向きに発射され、地下を一直線に通ってスーパーカミオカンデに届きます（経路のいちばん深い所は地下約1.7 km）。

オフアクシスという工夫

ビームの中心軸を、スーパーカミオカンデの方向から2.5°だけずらしています。パイ中間子の崩壊の運動学のため、軸から少しずれた方向では、ニュートリノのエネルギーが約0.6 GeVに鋭くそろいます。これは、295 kmの距離で振動の効果がちょうど最大になるエネルギーです。

前置検出器と後置検出器

発射地点から280 mの所に前置検出器を置き、振動する前のビームの量と性質を測ります。それを295 km先のスーパーカミオカンデで測った結果と比べ、途中で何が変わったかを引き算で取り出します。

見ているもの：これまでと同じ「リング」

スーパーカミオカンデで見るのは、梶田さんの大気ニュートリノのときと同じです。

ミューニュートリノ → ミューオン → くっきりしたリング

電子ニュートリノ → 電子 → ぼやけたリング

大量の太陽ニュートリノや大気ニュートリノに埋もれないのかという、前に出た問いがここでも問題になりますが、T2Kでは時間という物差しが決定的に効きます。ビームは数マイクロ秒のパルスで撃たれ、発射時刻はGPSで同期されています。その時間窓に入った事象だけを数えれば、偶然紛れ込む太陽・大気ニュートリノはほぼゼロになります。それでも届くビーム事象は、数年かけて数百個程度です。

何が発見・検証されたのか

① 電子ニュートリノの「出現」（2011年に兆候、2013年に確立）

スーパーカミオカンデで見えたのは「ミューニュートリノが減る」という消失でした。T2Kは、ミューニュートリノのビームの中に、本来ないはずの電子ニュートリノが現れることを捉えました。2011年は6事象で兆候の段階でしたが（同年3月の東日本大震災で施設が被災し、一時中断）、2013年に統計的に確立しました。

これは、ミューから電子への振動を支配する混合角（θ₁₃）がゼロでないことを意味します。同じ時期に、中国の大亜湾実験などが原子炉からの反電子ニュートリノの減少から、このθ₁₃を精密に測定しました。

② ミューニュートリノ消失の精密測定

大気ニュートリノで見つかった振動（主にミューからタウへ）の大きさと周期を、制御されたビームで高精度に測りました。結果は、ミューとタウがほぼ最大限に混ざり合っていることを示しています。

③ CP対称性の破れの探索（2016年〜）

θ₁₃がゼロでないと分かったことで、次の大問題に挑めるようになりました。ニュートリノと反ニュートリノで振動の仕方が違うか、という問題です。

・ミューニュートリノ → 電子ニュートリノ

・反ミューニュートリノ → 反電子ニュートリノ

この二つの起こりやすさを比べます。T2Kの結果では、ニュートリノ側では予想より多く、反ニュートリノ側では少なく現れました。2020年には、CP対称性が保たれている可能性を約95%の信頼度で退け、破れが大きい値が好ましいと報告しています（ただし「発見」と言える統計的確実性にはまだ届いていません）。

これがなぜ重要かというと、宇宙にはなぜ反物質がほとんどなく、物質ばかりが残ったのかという謎があり、ニュートリノでの物質・反物質の非対称が、その答えの鍵になる可能性があるからです（レプトジェネシス説）。

④ 他実験との統合

その後、T2Kとスーパーカミオカンデの大気ニュートリノの合同解析が行われました。さらに、ライバルとされてきた米国のNOvA実験とT2Kが、2025年10月に初めての合同解析を発表しています。距離（NOvAは約810 km）やエネルギーの異なる実験を組み合わせることで、3種類のニュートリノの質量の並び順（質量順序）などの未解決問題に迫っています。

次の段階：ハイパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデの後継機で、タンクの容積は26万トン、有効体積は約19万トン（スーパーカミオカンデは2.25万トン）です。2025年8月に巨大空洞の掘削が完了し、運転開始は2028年の予定とされています。J-PARCのビームも強化し、T2Kの延長線上で、CP対称性の破れを確実に「発見」することが最大の目標です。陽子崩壊探索や、銀河系内で超新星が起きたときの大量のニュートリノ観測も担います。

年表への追加

　年――――｜出来事―――――――――――｜何が分かったか――――――――――――

1999〜2004 ｜K2K（つくば→神岡 250 km）　｜人工ニュートリノで振動を初確認

2010 　　｜T2K開始（東海→神岡 295 km）

2013 　　｜T2K　　　　　　　　　　　　｜ミュー→電子ニュートリノの出現を確立（θ₁₃≠0）

2012〜 　　｜原子炉実験（大亜湾など） 　｜θ₁₃を精密測定

2016〜20 ｜T2K（反ニュートリノとの比較）｜ CP対称性の破れの兆候

2025 　　｜T2KとNOvAの合同解析 　　　｜質量順序・CP破れへの制約

2028予定 ｜ハイパーカミオカンデ稼働 　｜CP破れの発見を目指す

一言でつなぐと、自然のニュートリノで「振動がある」ことが発見され（1998年）、加速器で作った人工のニュートリノで「どう振動するか」を測る時代に入り、いまや「ニュートリノと反ニュートリノで振動が違うか」という宇宙の物質の起源につながる問いに挑んでいる、という流れになります。