全学自由研究ゼミナール

平成２３年１２月７日

東京大学宇宙線研究所

神岡宇宙素粒子研究施設

数物連携宇宙研究機構

中畑 雅行

ホームページ：http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/~nakahata/

今日の話の内容

ニュートリノとはどのような粒子（先週の復習）

ニュートリノはどこから飛んでくるのか？

太陽から飛んでくるニュートリノ

超新星爆発とニュートリノ

参考文献

「ニュートリノ天体物理学入門」（ブルーバックス） 小柴 昌俊 著

「地底から宇宙をさぐる」（岩波科学ライブラリー） 戸塚 洋二 著

「百億個の太陽」 NHK「宇宙」プロジェクト編 （ＮＨＫ出版）

「宇宙 その始まりから終わりへ」（朝日新聞社） 杉山 直 著

「なっとくする 宇宙論」（講談社） 二間瀬 敏史 著

「科学入門 E=mc2は美しい」 戸塚洋二 著

現在見つかっている素粒子の種類

素粒子と力 強い力 弱い力 電磁気力 重力

ニュートン１

９９８年７月

号

素粒子とそれらに働く力

電荷

第１世代

第２世代

第３世代

レプトン

0 ne nm nt

-1 e m t

クォーク

2/3 u c t

-1/3 d s b 強い力

電磁力

弱い力

ニュートリノ

地球

ニュートリノ

ニュートリノは物質となかなか反応しない

たくさんニュートリノが飛んでくれば、実験装置で希

に反応してくれる。

他のじゃまな宇宙線は地表で停止する。

地球を通過する間

に反応する確率は、

0.0000000002程度 （太陽ニュートリノの場合）

他の

宇宙線

地下に大きな実験装置を作るのが最適

ニュートリノはどこから飛んでくるか ?

太陽や星 超新星 宇宙線

大気ニュートリノ

ニュートリノはビッグバンの直後にもたくさん作られた

ビッグバン

宇宙の膨張

銀河形成

クォーク、電子、そしてニュートリノが作られた

http://map.gsfc.nasa.gov/

ビッグバンの時に生まれたニュートリノは、現在、

約300 個/cm3の密度で存在する。

太陽ニュートリノ

太陽内部

中心核

太陽の熱源は中心核で起きている核融合反応。

その核融合反応の際にニュートリノが生まれる。

太陽の熱源について

１９３７年にHans Betheは、熱核融合反応の理論を発展させ、太陽の熱源に関する理論を発表した。

太陽が持つ重力エネルギー：

J108.31098.6

)1099.1()(107.6 41

8

230213112

m

kgskgm

R

GM

太陽が放出するエネルギー： （太陽定数：1.96cal/cm2/分を使って）

sec/J108.3min//96.1)105.1(44 2622132 cmcalcmLD

したがって、約1015秒＝３ｘ１０７年後には太陽はエネルギーを使い果たしてしまうはず。しかし、実際には太陽の年齢は隕石などの観測から４５億ぐらいであることがわかっていた。

それ以前にあった太陽エネルギーの謎：

太陽での核融合反応

p + p → ２H＋e++νｅ p + e－+ p → ２H +νｅ

2H + p → 3He + γ

３He+ ３He →4He+ 2p ３He +4He → 7Be +γ

7Be + e－ → 7Li + νｅ 7Be + p → 8B + γ

7Li + p → 2 4He 8B → 8Be* + e＋+ νｅ

8Be* → 2 4He

99.75% 0.25%

86% 14%

99.85% 0.15%

３He+p→4He+e++νｅ

pp連鎖反応と呼ばれる

太陽での核融合反応

中間過程を省略すると、一連の核融合反応は、

4 p He + 2e+ + 2ne

陽子４つ

ヘリウム 陽電子２つ

ニュートリノ

２つ

＋ ＋

太陽ニュートリノのエネルギースペクトル

（モデルによる計算）

p + p → ２H＋e++νｅ p + e－+ p → ２H +νｅ

2H + p → 3He + γ

３He+ ３He →4He+ 2p ３He +4He → 7Be +γ

7Be + e－ → 7Li + νｅ 7Be + p → 8B + γ

7Li + p → 2 4He 8B → 8Be* + e＋+ νｅ

8Be* → 2 4He

99.75% 0.25%

86% 14%

99.85% 0.15%

pp-連鎖反応

３He+p→4He+e++νｅ

全太陽ニュートリノ強度は、660億ne/sec/cm2

エネルギーの単位について

MeV = メガ電子ボルト

= 106 電子ボルト

106 Vの電位差で電子を加速した時に電子が持つエネルギー

１電子ボルト = 1.6 x 10-19 J なので

MeV = 1.6 x 10-13 J に相当する。

ところで相対性理論によれば、E=mc2なので

質量もエネルギーの単位で表す。

例えば、電子の質量は 0.511 MeV.

世界で最初の太陽ニュートリノ実験 ホームステイク鉱山でのデービスらによる実験

615トンのC2Cl4 で満たされたタンク。

Neutrino Astrophysics J.N.Bahcall

タンクからアルゴンを回収して数を測る。

37Cl+ ne → 37Ar+e-

実験開始: 1968

反応のエネルギーしきい値は、０．８１４ＭｅＶ．

デービスらの実験：観測方法

37Cl+ ne → 37Ar+e-

反応でできる37Arは半減期が３５日。

そこで、約８０日おきにＡｒを回収した。

回収の方法は、ヘリウムガスによるバブリング。

回収した37Arは放射線検出器によって測る。

測定された37Arの生成率は１日約０．４～０．５原子だった。

これは太陽モデルからの予想値の約１／３だった。

太陽ニュートリノ問題

カミオカンデ (1983-1996)

地下１０００ｍに設置された

3000トンの水タンク。

1000本の直径50cm-光電子増

倍管を使って実験。

カミオカンデの動作原理

以下の水面波と同じ現象

超光速 → チェレンコフ光の発生

（水中の光の速度

= c/n = c/1.33）

e

池に落とした石からの波紋 水面波の速度よりも速く泳ぐアヒル

観測された事象例

オレンジ色の小さな丸は光を受けた光電子増倍管

光電子増倍管が光を受けた時間情報からニュートリノが反応した場所が分かる。

チェレンコフ光のリングパターンから粒子が飛んだ方向が分かる。

太陽ニュートリノ

電子

n + e n + e

散乱した電子を捕らえる

カミオカンデによる方法

電子の質量（0.5MeV)に比べて、太陽ニュートリノのエネルギー（約10MeV）が大きいため、前方に弾き飛ばされる。（１０円玉で１円玉を弾くように。）

太陽ニュートリノ方向分布

1987年１月 – 1988年５月まで ４５０日間 のカミオカンデのデータ

捕らえた太陽ニュートリノは５０個程度

デービスらの結果を確認し、太陽ニュートリノ強度が理論値の約半分しかないことを示した。

太陽モデル予想値

スーパーカミオカンデによる精密観測（１９９６年～）

50,000トンの水タンク (42m高さ, 直径40m)

11,146本の50cm光電子増倍管

内面の40%を増倍管の光電面が覆う。

1000m 地下. (旧カミオカンデから200mの場所）

カミオカンデの30倍の大きさ

１９９６年４月よりデータ取得。

スーパーカミオカンデの内部

１９９６年１月(給水中)

チェレンコフ光のパターンを捕らえる

42

m

39.3 m

ニュートリノ

弾き飛ばされた電子 （太陽ニュートリノの場合）

スーパーカミオカンデが捉えた太陽ニュートリノ

太陽方向との相関

天球座標系での太陽の軌跡

スーパーカミオカンデでの太陽ニュートリノ現象 1996年から２００１年まで

太陽方向との相関

22,400 太陽ニュートリノ現象

(15 現象/日)

観測された強度は太陽モデルからの予想値の4１% 。

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

1000トンの重水（D2O）

12.01m径アクリルケース

1700トンH2O

内水槽

5300トンH2O

外水槽

17.8m直径の増倍管サポート構造

9456本の20cm径増倍管

カナダのサドバリー、2092mの地下

ＳＮＯでの太陽ニュートリノ観測

３種類の反応を捕らえる。

荷電カレント（ＣＣ）反応 ne + d p + p + e-

(1-1/3cosq）の方向分布

電子ニュートリノのみに感度

中性カレント（ＮＣ）反応

nx + d nx + p + n 中性子を捕らえる

全ニュートリノに感度

電子散乱 n+ e- n + e-

neとnm、ntから～１／6.5の寄与

スーパーカミオカンデとＳＮＯから求めた電子ニュートリノ、ミューとタウニュートリノの強度

ES = e +0.15 m,t SK ES = 2.350.09 [x106/cm2/s]

CC = e SNO CC = 1.680.09

SNO NC = 5.210.47 NC = e + m+ t

(cf. SSM(BP2004) = 5.79±1.3) 得られた全強度: exp = 5.4±0.3

±

SK SNO CC

SNO NC

(BP2004)

ニュートリノの種類が変わる （ニュートリノ振動）

nm nt

ne

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

太陽ニュートリノ

生まれた時は電子ニュートリノ

地球まで飛んでくる間に……

ミュー、タウニュートリノに変わってしまう。

ニュートリノ振動が太陽ニュートリノ問題の答えであるのとが、２００１年にわかった。

超新星SN1987A

我々の銀河

太陽

大マゼラン星雲

小マゼラン星雲

１７万光年彼方

http://science.nasa.gov/newhome/headlines/ast15jul99_1.htm

Visible energy (MeV)

Time JT: 1987 Feb 23 16:35:35 (±1min)

UT: 7:35:35

バックグラウンドレベル

ne + p e+ + n

カミオカンデが捉えた超新星のデータ

秒

ニュートリノのエネルギー（ＭｅＶ） １３秒間に１１個のニュートリノを捕らえた。

その瞬間に通り抜けて行ったニュートリノの数は、 １０００億個/cm2

超新星爆発の分類

I型：スペクトル中に水素線がない。

II型：スペクトル中に水素線がある。

I型は、さらに

Ia型：Siの吸収線あり。

Ib型: Heの吸収線あり。

Ic型：Si, Heも見えない。

と細分化されている。

Ia型は、連星系をなす3Msun~8Msunの星が進化の過程で質量放出によって水素の

外層を失って、中心に残った炭素の白色矮星が爆発的に燃える現象。放出エネルギーは約1051erg。私の講義で議論するニュートリノ放出を伴う超新星爆発は重力崩壊型と呼ばれるものであり、Ib,Ic,II型の超新星爆発に相当する。

星の一生

ＮＨＫ出版「百億個の太陽」 P52

白色矮星

中性子星

ブラックホール

軽い星

~ Msun

~ 10xMsun

~ 25xMsun

>30xMsun

星の質量

超新星爆発

重い星は元素の生成工場

４個の水素原子核からヘリウム

(4p → 4He+2e++2ne ) 太陽の中央程度の温度、密度（107K、150g/cm3）

３個のヘリウムから炭素

(3 4He → 12C) 更に高い温度、密度

（108K、104g/cm3）

超高温度、高密度

酸素からケイ素、鉄 16O+16O → Si, Mg, S, Ar, Ca…

Si + Si → Cr, Fe, Ni…..

炭素から酸素、ネオン、ナトリウム、マグネシウム

(12C +a→16O, 12C+12C → 20Ne, 23Na, 24Mg…)

各燃焼過程の時間と温度

燃焼過程 時間 温度

H燃焼 106.8 年 6 x 107 K

He燃焼 105.7 年 2.3 x 108 K

C燃焼 103.8 年 9.3 x 108 K

Ne燃焼 1 年 1.7 x 109 K

O燃焼 0.5 年 2.3 x 109 K

Si燃焼 ～１日 4.1 x 109 K

25 Msunのシミュレーション

核融合反応では鉄までできる

質量数：Ａ

原子番号：Z

中性子数：N (=A-Z)

陽子質量： mp

中性子質量： mn

ある原子核の質量：mA

核子あたりの結合エネルギー =

56Fe

（mA – mp・Z – mn・N）

A 核反応はこの値が大きくなる方へ進む。

Ａの小さい方からは核融合、Ａの大きい方からは核分裂。

超新星爆発直前の星の内部構造 内側から、

鉄

ケイ素

酸素

炭素

ヘリウム

水素

超新星爆発では、中心の鉄の核が一気につぶれて、中性子星やブラックホールになる。

重力崩壊型超新星の爆発機構

重力崩壊

H

He C+O

Si

Fe

n n

n

n

ニュートリノ・ トラッピング コアのバウンス

n

n n

n

n

n n

n

中性子星

衝撃波がコアで発生 衝撃波が外に伝播 超新星爆発

コアを重力崩壊させ、その解放された重力エネルギーで外層を吹き飛ばす。

佐藤勝彦先生

超新星SN1987A

ニュートリノの信号：２月２３日１６時３５分３５秒（日本時間）

２月２３日18時22分

まだ、光では輝いていない。 （A.Jones (IAU circular 4340)）

２月２３日19時38分

光で初めて見えた。この時、６等級。 （R.H.McNaught (IAU circular 4316)）

光による観測

２月２４日１４時３１分 Ian Sheltonが５等級の天体が現れたことを発表

２月２４日10時２６分から３時間の２５ｃｍ望遠鏡を用いた観測で発見。

爆発後 爆発前

中性子星

中性子星は半径が１０ｋｍ位だが太陽程度の重さを持つ星。

中心部の密度は、1cm3が

~400000000000000 グラム。

一つの巨大な原子核

１０５４年に超新星爆発をおこしたカニ星雲

星の周りの物質が吹き飛ばされている

中心部には高速回転するパルサーがある。（毎秒３０回、回転している）

ハッブル望遠鏡

元素の周期律表

これらの元素は星の超新星爆発の瞬間に作られた。

ビッグバンで生まれた粒子

星の成長過程でできる

元素はいつ何処で生まれたのか

ビッグバン直後の元素合成

今の元素存在比

質量数 １００ ２００ ビッグバーン直後に生まれたのは、水素、ヘリウム、重水素程度である 金

まとめ

ニュートリノは素粒子のひとつ。

ニュートリノと物質との相互作用は非常に弱い。

太陽では４つの陽子からヘリウムができる核融合反応が起きている。その際にニュートリノが生まれる。

太陽で生まれた電子ニュートリノは地球に飛んでくる間にミューニュートリノ、タウニュートリノに変わってしまう。（ニュートリノ振動）

超新星爆発にともなうニュートリノをカミオカンデは捕らえた。スーパーカミオカンデが銀河中心の超新星爆発を捕らえれば、 １００００発ぐらいのニュートリノが捕まるはず。

超新星爆発は、我々の身のまわりの元素の源である。