超新星背景ニュートリノの探索

宇宙に漂う超新星爆発の残骸

超新星爆発時のニュートリノは、1987年に世界で初めてカミオカンデ実験で観測されました。（こちらをご覧ください。） それ以降われわれの銀河付近で超新星爆発が起こっていないため、超新星爆発時のニュートリノは観測されていません。

 

しかし、宇宙空間には、宇宙が誕生してから現在までの超新星爆発によって放出さたニュートリノが漂っていると考えられます。現在宇宙には、10の20乗個（１兆個の１億倍）の恒星があり、そのうちの0.3％、つまり約10の17乗個（１兆個の10万倍）の星は太陽の８倍以上の質量を持ち、超新星爆発をおこしてきたと考えられています。

 

宇宙の誕生以来蓄積されてきたニュートリノを検出し、観測することによって、宇宙の星の形成の歴史を探ることができます。さらに、超新星爆発は、ヘリウムよりも重い重元素が生まれた源であり、われわれの身の回りの物質の起源をさぐることができます。

 

検出のための新たな試み

超新星背景ニュートリノの強度は、１秒間に１平方センチメートルあたり数十個と見積もられています。これは、太陽ニュートリノのエネルギーが高いものが600万個であるのに比べると、非常に弱いと言えます。スーパーカミオカンデでは、超新星背景ニュートリノからの信号が、１年間に0.8～５個期待されています。しかし、太陽ニュートリノや他のバックグラウンドによる信号と超新星背景ニュートリノによる信号とを見分けるためには、新たな手法が必要となります。

 

超新星爆発ではすべての種類のニュートリノが生まれますが、そのうち最も観測しやすいのは反電子ニュートリノです。反電子ニュートリノは、陽子と反応して陽電子と中性子を発生します。陽電子はチェレンコフ光を発するので、スーパーカミオカンデで観測することができます。そこで、陽電子だけでなく、中性子による信号もとらえることによって、反電子ニュートリノからの信号を他の現象と区別しようとしています。

 

中性子による信号をとらえるため、スーパーカミオカンデにガドリニウムという物質を0.2%程度の濃度で加えることを考えています。ガドリニウムは中性子を捕獲する断面積が非常に大きく、かつ捕獲した後にエネルギーが高いガンマ線を放出するため、スーパーカミオカンデで検出することができます。

 

スーパーカミオカンデにガドリニウムを加えた場合、５年間のデータで４～20個の超新星背景ニュートリノの信号を世界で初めて検出できると考えています。

 

実証実験を始めています

スーパーカミオカンデでは、太陽、大気、人工ニュートリノを使った精密ニュートリノ観測が常におこなわれているため、ガドリニウムを加えても他の観測に影響を与えないことを確認しなければなりません。そのため、神岡鉱山内のスーパーカミオカンデ近くに新たな空洞を掘り、100トンクラスの”ミニスーパーカミオカンデ”ともいうべき試験用の水タンクを用いて、ガドリニウムを使用した実験装置の実証実験を行っています。具体的には、ガドリニウムを加えても十分良い水の透過率(70メートル以上)が保証されていることやタンクの構造体を腐食させたりしないということなどを検証します。

 

2009年12月に実験装置を設置する新地下実験室の掘削が完了しました。今後のおおまかな予定としては、2010年１～３月に実験室の防塵塗装、電気設備工事を行い、４～６月に水タンク建設に入ります。その後、水の純化装置、透過率測定器建設、循環試験などを行い、水タンクに 光電子増倍管を取付けて実証試験へと進みます。

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