超新星爆発ニュートリノ検出から30年を迎えました

1987年2月23日、ちょうど30年前の今日、地球から16万光年離れた大マゼラン星雲でおきた超新星爆発SN1987Aにともなうニュートリノが地球に到来しました。スーパーカミオカンデの前身の検出器カミオカンデは、SN1987Aから放出されたニュートリノを11個検出しました。超新星爆発からのニュートリノを検出したのは世界初であり、この検出により、超新星爆発の仕組みの解明が大きく前進しました。また、2002年には小柴昌俊 東京大学特別栄誉教授がこの功績に対し、ノーベル物理学賞を授与されました。

SN1987A
超新星爆発SN1987Aの爆発前(右)と爆発後(左)
アングロ・オーストラリア天文台/Daved Malin撮影

ニュートリノ研究のパイオニア カミオカンデ

カミオカンデ検出器は、岐阜県吉城郡神岡町(現 岐阜県飛騨市神岡町)の地下1000mに設置された、直径高さ16 mの円筒形の検出器で、内壁に1000本の世界最大の光電子増倍管(光センサー)が取り付けられていました。(現在はその跡地にKamLAND検出器が置かれています。)小柴昌俊先生が計画、主導され1983年から観測を開始しました。本来、陽子崩壊を検出する目的で建設されましたが、太陽ニュートリノの観測もできるように検出器の改造に取り掛かりました。改造を終え、太陽ニュートリノの観測を開始したのは、1986年の暮れ頃のことでした。

カミオカンデの構造
カミオカンデ検出器の内部
カミオカンデの構造
カミオカンデ検出器の概要
カミオカンデで作業する小柴先生
カミオカンデ検出器内で作業する小柴先生
坑内で調整する梶田先生と中畑先生
カミオカンデのデータ収集システムを調整する(当時は学生だった)梶田先生と中畑先生

超新星爆発ニュートリノ発見!その日

超新星爆発SN1987Aが肉眼で観測された2日後の2月25日、ペンシルバニア大学から東京大学へ超新星爆発を知らせるFAXが届きます。それをみた戸塚洋二先生が、神岡にいる研究者へデータの磁気テープを送るようすぐに連絡しました。(当時はネットワークが発達していなかったので、データは物理的に宅配便で送られていました。)

FAX
ペンシルバニア大から届いた超新星爆発を知らせるFAX

2月27日、磁気テープが東京に到着すると、当時大学院生だった中畑雅行先生(現スーパーカミオカンデ実験代表者)がすぐに解析プログラムにかけ、解析を始めます。2月28日の朝、時間ごとに光を検出したセンサーの本数をグラフにして打ち出していくと、明らかにノイズではないピークを大学院生の平田慶子さんが見つけました。まさにこれがSN1987Aからやってきたニュートリノを検出した痕跡でした。(この数分前に定期的な装置メンテナンスのため2分間の空白があります。もしこの間に爆発が起こっていたら、ニュートリノをとらえることはできませんでした。)詳細な解析が行われ、2月23日16時35分35秒から13秒間に11個のニュートリノを検出したことが明らかになりました。

磁気テープ
SN1987Aのデータが記録された磁気テープ
プリントアウトと封筒
データのプリントアウトと保管されていた封筒。戸塚先生の直筆で「大切に保存せよ Y.T.」と書かれています。
データのプリントアウト
データのプリントアウト。横軸は時間(右から左へ流れ、1列は10秒に相当)、縦軸は縦軸は各事象の光を検出した光電子増倍管の本数(事象のエネルギーにほぼ比例)を表します。明らかなピークがSN1987Aのニュートリノからの信号。その数分前にメンテナンスのため運転を止めた空白があります。

3月2日朝、解析を終えた中畑先生が小柴先生に報告すると、「他に同じような信号がないか全てのデータを解析せよ」との指示がでます。そして箝口令がしかれた中、3月2日から6日にかけて43日分のカミオカンデのデータを解析し、このようなピークは超新星爆発SN1987Aからの信号しかないことを証明し、論文として発表しました。論文作成に携わった研究者のサインが残っています。

論文執筆に携わった研究者のサイン
論文執筆に携わった研究者のサイン

その後のニュートリノ研究の発展

カミオカンデの超新星爆発ニュートリノの発見がきっかけとなり、ニュートリノ研究の重要性が認識され、タンクを巨大化したスーパーカミオカンデの建設が認められました。1996年からスーパーカミオカンデは観測を開始し、1998年にはニュートリノ振動を発見しました。その功績により2015年には梶田隆章教授がノーベル物理学賞を授与されました。また、K2K実験、T2K実験、KamLAND実験など、現在日本を始めとして世界中でニュートリノ研究が盛んに行われるようになった発端は、SN1987Aだったのです。

今銀河系内で超新星爆発が起これば、30年前の約1000倍のニュートリノをスーパーカミオカンデでとらえることができます。そうなれば、超新星爆発のメカニズムの詳細が明らかになり、星や宇宙についての理解が進むと期待されています。超新星爆発は私たちの銀河内で30年〜50年に1回起きると考えられています。もう間もなく、次の瞬間にも超新星爆発が起きるかもしれません。超新星爆発ニュートリノはわずか10秒間しかやってきません。その時を逃すまいとスーパーカミオカンデは休むことなく観測を続けているのです。

次世代の検出器で超新星爆発ニュートリノ検出を目指す

2017年2月11-12日、ハイパーカミオカンデなど次世代のニュートリノ検出器で超新星爆発ニュートリノ検出を目指す研究者が集まり、課題や成果を発表する国際研究会が東京大学本郷キャンパスで行われました。そのときの様子はこちらからご覧ください。

【リンク】超新星爆発ニュートリノ(スーパーカミオカンデホームページ)

【リンク】国際研究会「Supernova at Hyper-Kamiokande」

【リンク】国際研究会「Supernova at Hyper-Kamiokande」を開催しました

【リンク】東京大学総合研究博物館インターメディアテク 超新星爆発1987Aニュートリノ検出三十周年記念特別公開『ニュートリノ天文学の曙光』 2017年3月14日〜

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