新生スーパー神尾カーンデー観測開始超新星背景ニュートリノの初観測目標| sorae宇宙のポータルサイト

東京大学宇宙船研究所などが参加するスーパーカミオカンデの共同研究グループは、8月21日、岐阜県飛騨市神岡町の神岡鉱山からの「スーパーカミオカンデ」この新しい機器で観測を開始したと発表しました。

スーパー神尾カーンデーモンは1996年から観測を開始したニュートリノ検出器で、来年の春に観測開始から25周年を迎えます。 直径39.3m、高さ41.4mの円筒をしたタンクの内部は、5万トンの純粋な水（純度の高い水）で満たされており、タンク内部には、約1万3000個光電子増倍管（高感度光センサー）がびっしり配置されています。

ニュートリノは、人体だけでなく、地球にも簡単に通過するために観察することが困難粒子が、まれに物質と衝突チェレンコフ光という光を出しています。 今回のスーパーカミオカンデでは、タンクの純粋にガドリニウム（元素記号Gd希土類の一種）が導入されたもので、超新星爆発によって発生したニュートリノ（次のような「超新星ニュートリノ」）の検出感度の向上、特に宇宙の長い歴史の中で蓄積されてきた「超新星背景ニュートリノ」世界初観測が期待されています。

■超新星爆発の理解につながる」超新星背景ニュートリノ」の観測

スーパーカミオカンデの共同研究グループの発表によると、超新星爆発のエネルギーは全体の99％が、ニュートリノによって放出されており、星を破壊エネルギーは、残りの1％程度の光のエネルギーは、全体のわずか0.01パーセントに過ぎないとされています。 したがって超新星ニュートリノを観測すると超新星爆発の本質を探ることができると言います。

しかし、これまでの超新星ニュートリノが捕捉されたのは、1987年に観測された大マゼラン銀河の超新星SN 1987A」この唯一の例と言います。 もし私たちの銀河で超新星爆発が起きた場合、スーパー神尾カーンデーモンは8000超新星ニュートリノによる反応を把握できるものとなっているが、天の川銀河の超新星爆発の頻度は、30〜50年に1回となっており、今後のスーパーカミオカンデに把握されているのは、1回または2回程度に限定されるものです。

超新星背景ニュートリノは過去の超新星爆発によって宇宙に放出されたニュートリノが蓄積したもの（Credit：東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設）

超新星爆発の詳細情報を取得するために注目されているのが、「超新星背景ニュートリノ」観測です。 数千億の銀河が存在すると思われる宇宙全体で毎秒数回超新星爆発が起きていると考えられます。 長い歴史の中で繰り返されてきた爆発によって放出され、宇宙に広がっ蓄積されたニュートリノである超新星背景ニュートリノは人の手のひらを毎秒数千個通過程度の量であることが理論的に予想されるそうです。

この超新星背景ニュートリノを観測することにより、超新星爆発の平均的な姿と宇宙の歴史の中で超新星爆発がたくさん起こっていた時期このあらわれることが期待されています。 ただスーパーカミオカンデでは、宇宙船や太陽ニュートリノ（太陽から生成された電子ニュートリノ）などによる超新星ニュートリノに由来ない反応このノイズに年間数万も生じており、その中で毎年数回と予想される超新星背景ニュートリノによる反応のみ見つけることができなかったです。

■ガドリニウムの導入超新星背景ニュートリノの識別が可能に

逆に、電子ニュートリノによる反応と信号の関係を描いた絵。 ガドリニウムを導入したことで、陽電子とガンマ線によるチェレンコフ光をそれぞれ把握することができ（Credit：東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設）

この問題を解決するために、今回の導入されたものガドリニウムです。 発表によると、超新星爆発ですべての種類のニュートリノ（電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ及びこれらの反粒子を合わせた6つの）が放出されます。 このうち、タンク内部の水と最も反応しやすい逆に、電子ニュートリノは陽子（水を構成する水素の原子核）と反応して陽電子（電子の反粒子）と中性子を生成するが、既存のときに生成された陽電子によるチェレンコフ光が捉えました。

一方、導入されたガドリニウムは中性子を捕獲する能力が優れており、半電子ニュートリノによって生成された中性子をガドリニウムが捕獲したときに放出されるガンマ線はチェレンコフ光を発生させるとします。 ガンマ線によるチェレンコフ光は、陽電子によるチェレンコフ光発生直後、ほぼ同じ位置（数十〜数百マイクロ秒に約50cm以内）で把握されるされています。

つまり、この一連の反応による陽電子とガンマ線によるチェレンコフ光をすべて把握して今までの騒音に埋もれていた超新星背景ニュートリノを見つけることができるようになるということです。

2018年に実施されたタンク内壁の指数工事の様子（Credit：東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設）

また、発表によると、ガドリニウム、環境基準と排出基準など法的規制はないされているが、河川にはあまり存在しない物質であるため、今回の導入に先立ち、漏洩対策が行われています。 スーパーカミオカンデでは、これまで毎日約1トンの純が漏れ出てきたと呼ばれ、2018年にタンク内壁の継ぎ目に指数剤を塗る改修工事を実施したことで、かなりの漏れが確認されていないということです。

現在ガドリニウムの濃度は0.01％であり、これだけで50％の効率で中性子を捕獲することができるとするが、濃度を0.1パーセントまで上げると効率が90％向上するとします。 スーパーカミオカンデの共同研究グループは、今後数年にわたりガドリニウムの濃度を上げて7〜8年の観測世界初の超新星背景ニュートリノの観測を目的としています。

Image Credit：東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設
出典： 東京大学宇宙線研究所 / 上岡宇宙素粒子研究施設
文/松村武宏