ハイパーカミオカンデ Hyper-Kamiokande

11月4日に外周坑道の輪がつながったときの写真です

また、アプローチトンネルから掘削を行っていた、ドーム天頂部に取り付くための頂設導坑の掘削が完了し、ドーム部の掘削が天頂部から開始されました。天頂部中心から徐々に外側、下側へと掘削を進めていく予定です。ドーム部は直径69ｍ，高さ21ｍにもなる予定です。

ドームの天頂中心部（11/17）

赤白の棒が立っている場所がちょうど空洞ドームの中心にあたります。左側に黒っぽく見えているのが2020年に掘削された地質調査のためのトンネルで、ハイパーカミオカンデ建設用のトンネルとドーム中心部分で接続されました。

この写真でもだいぶ人が小さく見えますが、ここでの天井の高さはおよそ9m、幅も9mほどです。完成したハイパーカミオカンデのドーム部だけで高さ21m、直径69mとなる予定ですので、高さは2倍以上、幅は7倍以上と大変大きな空洞となる予定です。

アクセストンネル終端部。この先にアプローチトンネルを掘削していきます。

国際共同研究であるハイパーカミオカンデでは様々な国が研究開発を分担していますが、このカバーの開発と実現に向けては、スペイングループが中心的な役割を担っています。現在開発を進めており、2021年度中の完成および2022年からの量産を目指しています。

スペイングループが開発中のカバーの試作品。透過率の高い紫外線透過アクリルと2.5mm厚のステンレスが使われている。©Autonomous University of Madrid

ハイパーカミオカンデ計画の実現に向けた重要なマイルストーンが達成されました。 2027年の実験開始に向けて、今後ますますその建設が加速していきます。

掘削が始まったトンネルの入り口

測定の効率や精度を高めるため、性能の高い光センサーの開発が進められてきました。 新型光センサーは現在スーパーカミオカンデで用いられているものに比べて光検出効率、光量測定精度、時間測定精度といった基本的な性能がどれも約2倍程度まで向上しており、ハイパーカミオカンデ全体の性能向上に繋がっています。

ハイパーカミオカンデの光センサー製造がいよいよ始まり、2020年12月に実際に取り付ける製造品が初めて到着しました。 今回納品された光センサーは、安全に長期で使用するための確認と性能測定を経て、壁面に取り付けられる日まで保管されます。

2027年の実験開始に向け、今後約6年かけて光センサーを製造する予定です。

納入された光センサー6本

スーパーカミオカンデの8.4倍の有効体積を持つ水チェレンコフ検出器がこの空洞の体積をいっぱいに使って構築され、大強度陽子加速器J-PARC の大強度化と組み合わせることにより、宇宙・素粒子研究における新たなブレークスルーを狙います。ニュートリノ振動の究明による宇宙における物質起源の解明や、素粒子の統一理論の証拠となる核子崩壊の発見、超新星からのバーストニュートリノや超新星背景ニュートリノの観測によるニュートリノ天文学の飛躍的発展を目指します。ハイパーカミオカンデは、このような基礎物理学の国際的基幹装置を、20年以上に渡って提供する計画です。

超巨大空洞掘削に向けた地盤調査は、今まさに大詰めを迎えています。これまで、最適な空洞の位置を特定するために、様々な地盤調査が行われてきました。今年度はその決定版として、総長96mの新設調査坑道と総長725mのボーリングの掘削を組み合わせた、大規模な調査が行われています。

空洞想定位置の周辺の様子を、ボーリング及び横向きの坑道(横坑)掘削を通じて調べています。空洞掘削予定地を貫くボーリングでは、空洞予定地附近の岩盤の状態を詳しく確認しています。

HK空洞予定地を貫通するボーリングによる、空洞掘削予定地周辺の地盤調査。

2020年7月には調査横坑の掘削が完了し、ハイパーカミオカンデ水槽のドーム部中心地点に到達しました。ここでは現場にて岩盤の特性を調べる、原位置試験などが行われています。地盤調査は順調に進捗しており、来年度から始まるアクセストンネル掘削、それに続く空洞掘削の最終準備が整いつつあります。

HKドーム部の地盤調査のために掘削された横坑。横坑の終点付近、空洞ドーム部の中心地点の天井には、地盤調査業者によるHK中心のマーク（中央下）。

この「読み出し回路」はタンクの様々な場所に設置されることになりますが、それぞれの「読み出し回路」の間で「時計」がそろっていないと、正確な光の検出時間を測ることができなくなってしまいます。各読み出し回路の「時計」をそろえるためには、光ファイバーを用いてタンクの外から基準となる「時報」を送ってやる必要があります。時報は100ピコ秒（100億分の1秒）よりも良い精度で送る必要があります。

現在、この「時報」を送るための電子回路の試作試験を行っています。写真ではオレンジ色の短い光ファイバーを用いて試験した結果、時報の誤差は数10ピコ秒と十分性能を満たすことがわかりました。今後、200mの光ファイバーを用いた試験を行ったのち、より実際に近いシステムを設計、構築する予定です。 このシステムは、東工大を中心に東大宇宙線研およびE3デザイン株式会社が共同で開発しています。

読み出し回路に時報を送るための電子回路の試作試験

ハイパーカミオカンデ（水深約60m）では現行のスーパーカミオカンデ（水深約40m）よりも強力なカバーを開発することが重要な課題となっています。そして、実際に使うためには本当に水中で連鎖爆縮が防げることの実証試験が必要となります。これには単に水圧を掛けて試すだけではなく、一つの光センサが壊れても連鎖的に爆縮が起きない事を確認しなければなりません。

我々はすでに2016年3月にこの試験を行っており、試作機の実証試験に成功しています。 今回、その試作機の改良型に加え、樹脂製保護カバー、共同研究者のスペイングループが製作したステンレス製筒型カバー、の計3種類の保護カバーの実証試験を行いました（写真1、2、3）。

（写真1） 試験の様子。保護カバーを付けたセンサを中心に配置し、周囲を裸のセンサで囲む。これを深水に沈め、保護カバー内部のセンサをプッシャーと呼ばれる装置で割り、衝撃波が周りのセンサを破壊しないことを確認する。 中心は改良型カバーを取り付けたセンサ。センサのガラスおよび保護カバー表面には見やすくするためにテープを貼ってある。

（写真2） 今回初めて試験を行った樹脂製の保護カバー。従来のステンレス製試作機に比べて非常に軽量である。

（写真3） スペイン共同研究者が製作した保護カバー。形状が比較的簡易であるため、安価な製造コストが期待される。

試験は2018年3月5日から3月10日まで、前回と同じく北海道空知郡上砂川町にある旧地下無重力実験センター跡地にて行われました（写真4）。

結果、それぞれ80m, 40m, 60mの水深で連鎖爆縮を防ぐことが実際に確認されました。 また、保護カバーの種類による衝撃波発生の違いや、形状や材質の異なるカバーの変形の違いなど、深水下での爆縮という現象を理解する上で貴重なデータを取得することができました。 これらに加え、比較的小型の光センサが深水で爆縮を起こす事の確認、新型の破壊装置の試作機テストなど、成果の多いものとなりました。 このような貴重なデータを短期間で得ることが出来たのは、上砂川町の多大な支援によるものです。

また、今回の試験の前の2月23日には、東京大学宇宙線研究所の亀田純助教が上砂川中学校にて「ニュートリノ講演会」で講演させていただき、生徒さんや町民の皆様、約100名の方にご参加いただきました。

（＊）センサが爆縮を起こすときに発生する衝撃波が隣のセンサを割り、それにより発生した衝撃波がさら隣を割る、という連鎖的な破壊現象。

（写真4） 北海道空知郡上砂川町にある旧地下無重力実験センターの建屋。

（写真5） 試験期間の最低気温はマイナス10度を下回った。写真は試験場内に張ったロープに出来た氷柱（つらら）。

スーパーカミオカンデのタンク上にとぐろを巻いている70mのケーブル

ハイパーカミオカンデは検出器が大きく、タンクの中からケーブルを引き出そうとすると、必要なケーブルの長さは150m以上となってしまいます。しかし、長いケーブルは信号の質を劣化させますし、また、この長さのケーブルを検出器が支えなくてはいけません。ケーブルの重さは1mあたりでは100g程度ですが、全体では600トン以上となってしまいます。よって、現在は光センサーに高電圧を供給したり、光センサーの信号をデジタル変換したりする電子回路を、タンク内（水中）に設置することを検討しています。このためにはタンク内でケーブル を接続する必要があります。接続に水中コネクタを用いることができれば、検出器の建設時の手間を大幅に減らすことが可能となります。

水中でケーブル接続するためのコネクタの試作品

現在、水タンクの最大水深を考慮して、10気圧の環境でも利用可能なこと、2500Vの高電圧を供給しつつ信号もやりとりできること、簡単に着脱できること、さらに純水中で水を汚さないこと（部品が溶け出さないこと）といった条件を満たすコネクタの開発を行っています。

これ以外にも、電子回路に電源を供給したり、デジタル変換されたデータを読みだしたりするためにもケーブルを接続する必要があります。今回のコネクタの開発にあたっては、 汎用の外殻と、配線の種別に応じた内側の接続部分を組み合わせた形とすることで、複数の用途に対応出来るものを開発しています。

また、コンピュータ間などの通信に用いられる一般的なイーサネットケーブルは、圧力がかかると変形してしまい、通信速度が遅くなったり、うまく通信できなくなったりすることが知られています。このため、10気圧程度でもケーブルがつぶれず、通信性能が劣化しないケーブルの開発も進めています。ここでも、素材は純水をよごさないものを用い、ハイパーカミオカンデの水の透過率に影響を与えないように配慮しています。

この仮想実験では、ニュートリノがどのように反応して様々な粒子を生成するかという物理事象のシミュレーションと、生成された粒子が検出器内でどのように捕らえられ、最終的に信号としてどう見えるのかを模式する検出器シミュレーションに分けられます。前者の場合、物理は普遍的なものなので、SKやT2K実験で用いられているものを使うことができます。検出器シミュレーションにはタンクの大きさ、形状、水の光学的な特性、光センサーの性能やそれらの信号の読み出し方法なども組み込まなければなりません。検出器シミュレーションは、欧州原子核研究機構（CERN）で開発されたGEANT4というシミュレータをベースにして、アメリカのDUKE大学が中心にHKや他の水チェレンコフ検出器にも対応できる汎用性の高いシミュレーションを開発しました。このソフトウエアでは、タンクの大きさや光センサーの数を容易に変更でき、さらに光センサー部分や読み出し部分をモジュール化して入れ替えることにより、様々な検出器のデザインに対応できるように作られています。図１はHKシミュレーションの1例です。

図1：HKタンク中心から側面に向かうミュー粒子のシミュレーション。黄色の点が受光した光センサーを示す。

検出器の性能を知るためには、光センサーの情報を集め、光を出した粒子の個数、生成点、方向、運動量などの物理量を再構成するソフトウエアも必要です。SKで従来使われている手法では、各物理量を一つずつ順番に決めていましたが、予想される光量分布を光センサーの情報にフィットさせることにより物理量を一度に決定することのできる、新しい手法がHKに向けて開発されているところです。新しい手法では、今まで使われていなかった「光センサーが受光しなかった」という情報も用いて、従来よりも精度良く物理量を決定することができると期待されています。

図2は、様々な運動量の電子とミュー粒子をHKシミュレーションで生成し、それを新しい手法で再構成した時の分解能を示しています。HKで使われる光センサーは1光子を検出する能力が2倍に上がっているので、SKと同じように壁面を光センサーで40%覆った場合の分解能はSKよりも大きく改善されることが示されています。

図2：電子（左図）とミュー粒子（右図）の運動量（横軸）とその分解能（縦軸）。緑はSKの性能で、赤はHKの壁面を新型光センサー14 %覆った場合、青が40 %の場合を示す。

もし、光センサーから届いた電荷量に比例した時間幅を持つパルス（信号）を作ることができれば、信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を測定するだけで、光がセンサーに届いた時間と、受光量を測定することができます。スーパーカミオカンデでは、電荷量を時間に変換する専用のLSI（大規模集積回路）を開発し、用いてきました。

スーパーカミオカンデ用に開発されたLSI CLC101(ICRR/岩崎通信機(株))

ハイパーカミオカンデにおいては、同様のLSIを使うことを検討しており、現在はスーパーカミオカンデ用のLSIを用いて試験を行っています。

時間の測定には、FPGAと呼ばれるプログラミング可能なLSIを用いることを検討しています。FPGAは一般にも広く使われており、近年その性能がどんどん向上し、10-10秒の精度での時間測定すら可能となってきています。 これら二つを組み合わせる評価システムを米国の研究所・大学のグループと共同で開発しています。

米国と共同開発しているボード

また、全く新たな手法として、波形を記録する専用のLSI（FADC）を用いる手法についても開発研究を行っています。こちらは、電気信号の波形を1秒間に数億回記録、波形データをさらに信号処理することによって、信号の入力時間や電荷量を精度よく測定しようとするものです。こちらのシステムはカナダとポーランドのグループと共同で開発しています。

これらの開発を通し、1検出器あたり50,000本の光センサーからの信号を精度よく、小さい消費電力で記録するシステムを安価に構築すること目指しています。

カナダやポーランドのグループと開発しているボード

写真1：開発中の光センサ保護カバー

スーパーカミオカンデのアップグレードやハイパーカミオカンデで使用する新型光センサには、連鎖爆縮※1を防ぐための保護カバーが取り付けられます。現行のスーパーカミオカンデの光センサにも保護カバーが取り付けられていますが、新型センサ用に性能アップした保護カバーを開発中です。今回開発された保護カバーは、写真1に示したもので、前側（光を受ける側）がアクリル製、後ろ側がステンレス製となっています。

※1 真空の光センサが水中で割れた場合の衝撃波で隣の光センサを破壊する連鎖反応のこと

2016年2月より、保護カバーの強度試験を、旧地下無重力実験センター（北海道空知郡上砂川町） （写真２）において開始しました。試験は、水チェレンコフ実験装置の水圧状態をシミュレーションするのに 十分な深さと大きさを持つ立坑の、水深約100mの位置において行われます。試験のセットアップ を写真3に示します。

写真2：旧地下無重力実験センター（北海道空知郡上砂川町）

写真3：保護カバーの強度試験セットアップ（旧地下無重力実験センター）