2018年11月23日に、黑料网の最も重要な学术讲义として位置づけられ一般に公开されている『黑料网レクチャ―2018』が开かれました。
今回の讲演者は「」を発见して2015年ノーベル物理学赏を受赏した梶田 隆章先生です！
また、梶田先生の讲演に先立ち、黑料网大学院理学研究科长の杉山 直先生による解説讲演も行われました。
黑料网レクチャ―とは？
黑料网レクチャ―は黑料网の最も重要な学术讲义として位置づけられ、积极的に一般に公开されています。
今回の讲演にも一般の来场者が多く见られ、中には小学生や中学生といった子どもたちの姿も见られました。
黑料网レクチャ―は今回で14回目となり、毎回世界トップレベルの研究者が招聘され、黑料网総长がホストとして、黑料网で最も栄誉がある黑料网レクチャーシップの称号を授与します。
今回も、梶田先生には黑料网レクチャ―シップの表彰楯が赠呈されました。
楯には「圣人が现れ、平和で学问が尊重される世の中になる前兆」とされる伝説の生物「麒麟」がデザインされているそうです。
では、ここからは今回の讲演の内容を简単に绍介していきます。
解説讲演「謎の粒子ニュートリノ」
梶田先生の讲演の前に、黑料网大学院理学研究科长である杉山 直先生による解説讲演が行われました。
杉山先生の専门は宇宙论なのですが、ニュートリノなどの素粒子を研究することが宇宙を理解することにつながるといいます。&苍产蝉辫;
解説讲演の内容を簡単に紹介させていただきます。
素粒子とは何か？
まずは素粒子とは何か、という基本的な疑问から考えましょう。
素粒子とは、物质を分解できる最小単位のことを指します。
例えば、私たちの身の回りにある酸素?窒素?炭素といった原子は、电子と原子核に分解することができます。ここで、电子はそれ以上は分解できないため素粒子なのですが、原子核はさらに分解することができて、阳子と中性子に分解されます。そして、阳子と中性子はさらに3つのクォークという粒子に分解することができ、このクォークが今のところそれ以上分解できない素粒子とされています。
素粒子は次の5种类に大别されます。
① 原子核を构成する粒子...クォークの仲间
② 电子の仲間
? ニュートリノの仲间
④ 力を媒介する粒子の仲间（ゲージ粒子）
? 质量を生み出す粒子（ヒッグス粒子）
中でも、クォーク?电子?ニュートリノの仲間にはそれぞれ3つの種類があり、これを「世代」と呼びます。
これらの素粒子はという理论によって支配されており、标準模型を用いれば、10-18,10-19(尘)以上のスケールで物理现象を记述することができます。
さて、クォーク?电子の仲間は世代が大きいほど重いのですが、一方でニュートリノの仲间には长らく质量があるのかどうかすらわかっていませんでした。
もちろん、现在はニュートリノには质量があることがわかっており、それを见つけたのが梶田先生なわけです。
では 次に、ニュートリノに質量があるということがどのようにして分かったのか、ニュートリノの発見の歴史から追って見ていきましょう。
ニュートリノ...目に见えないお化け粒子の発见
ニュートリノは、中性子が放射线を出す际の反応(ベータ崩壊)の中から発见されました。
そもそも放射线は19世纪末に、ベックレルがウランから、キュリー夫人がトリウム?ポロニウムから放射线が出ていることを発见しました。そして、ラザフォードが放射线には3つの种类があることを発见しました。
3種類の放射線はそれぞれアルファ線?ベータ線?ガンマ線と呼ばれ、その正体はそれぞれヘリウム原子核?电子?光子(高エネルギーの光)です。
そして粒子が放射线を出すときの反応を「放射性崩壊」と呼びます。
では、中性子がベータ崩壊する様子を考えます。ベータ崩壊とは、ベータ線(电子)を出す放射性崩壊です。
中性子がベータ崩壊すると、中性子はベータ線(电子)と阳子に分かれます。
ここで、静止している中性子が2つの粒子に分裂するならば、分裂後の阳子と电子は互いに逆向きに飛んでいくことが想像されるでしょう（これを运动量保存则といいます）。
しかし、実際の反応では、阳子と电子は逆向きでなく、少しずれて斜めに飞んでいきます。
1930年、こういったベータ崩壊の際の不思議な現象を見たパウリは、目に見えない第3の粒子が阳子と电子とともに放出されていると考えました。
そして、1934年にはフェルミがこの第3の粒子に「ニュートリノ」という名前を名付けました。
ここで、初めてニュートリノが登场したのです。
目に见えないはずのニュートリノですが、その后にニュートリノが衝突した他の粒子が动くのを见ることで、実际に観测されました。
&苍产蝉辫;ニュートリノはどこから来るか
ニュートリノは目に见えず、ほとんどの物质をすり抜けるなどの性质を持つ不思议な粒子です。しかし、実はこの不思议粒子ニュートリノは、宇宙から絶えず降り注いでいます。
地球に降り注いでいるニュートリノは、宇宙で起きている核反応で生まれたものです。
例えば、太阳などの恒星の内部や、超新星爆発、宇宙线と大気分子の衝突などによってニュートリノが生まれます。
ここで、超新星爆発とは、太阳の约10倍以上重い恒星が最期に起こす大爆発を言います。
超新星爆発が起こると、その星があった场所は数週间の间、非常に明るく辉くため、肉眼で见えない星が超新星爆発を起こした际には、あたかもその场に新たな星が生まれたかのように见えます。これが「超新星」という名の由来です。
1987年、400年ぶりに肉眼で见ることができる超新星爆発が大マゼラン银河で起こりました。
この时生じたニュートリノを、梶田先生が师事していた小柴先生がカミオカンデにてとらえました。これによって、天体は确かにニュートリノを出していることが分かりました。
ニュートリノに質量はあるのか、ニュートリノ振动とは何なのか？
ニュートリノには3種類（3つの世代）があることが確定しており、世代順に电子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノと呼ばれます。
そして、仮にニュートリノが质量を持っているならば、ニュートリノが飞来している间にニュートリノは种类を変え、3つの种类を行ったり来たりする（＝振动）ことが示唆されました。
この、ニュートリノが他の種類に変わる現象がニュートリノ振动です。
質量があるならばニュートリノ振动が起こるということを理解するには、量子の世界を考えなければなりません。
前提として、量子の世界では、物质も光も、波と物质の二面性を持ちます。
波としての性质とは、干渉や回折といった性质を指します。
例えば、2重スリットに波(光)を通すと干渉が起こり、干渉縞が见られます。
同様に、物質であるはずの电子や中性子を2重スリットに通しても、干渉縞が見られます。
そして、やはりニュートリノも波としての性质を持っています。
では、ニュートリノを音(音波)に例えてみます。
音程(振动数)が近い音波が合わさると、「」という现象が起こり、音波の大きさが大小するのはご存知でしょうか。
これと同じことが、ニュートリノの波で起こります。
もし、3种类のニュートリノがそれぞれ异なる质量を持っていた场合、复数のニュートリノの波の重ね合わせによって、波の音程(振动数)が変わり、「うなり」を生じます。
ニュートリノの波の大きさが大小するということは、ある種類のニュートリノの個数が多くなったり少なくなったりする（＝ニュートリノ振动が起こる）ということに相当します。
従って、ニュートリノが質量を持つ場合は、ニュートリノ振动が起こります。
梶田先生は、宇宙线が大気と衝突することによって作り出されるミューニュートリノが、地球を贯通して进む间に、タウニュートリノという别の种类のニュートリノに変化することを発见しました。
ニュートリノの振動を見つけ、ニュートリノに質量があることを決定的にしたという業績により、梶田先生は2015年ノーベル物理学赏を受赏したのです。
黑料网レクチャ―『神冈でのニュートリノ研究をふりかえって』
今回の講演は、ノーベル物理学賞受賞記念講演ということで、ノーベル物理学賞に繋がったスーパーカミオカンデによるニュートリノ振动の観測が主として話されました。
话された顺に、讲演の内容を绍介させていただきます。
はじめに
はじめに、梶田先生の自己绍介がありました。
梶田先生は、埼玉大学理学部物理学科を卒业しています。
意外なことに、大学时代は弓道ばかりしていたそうです。しかし、大学の物理の授业には面白いと思ったものもあり、物理の魅力にも惹かれたとのことでした。
梶田先生は3年の秋には大学院进学を决断し、それから勉强に励み、东京大学の小柴研究室に合格しました。
ちなみに、大学院入试の难易度は大学の入试とはまた异なるのですが(名大の大学院を受験する学生には、东大や京大の大学院を滑り止めで受験する者も多いそうです)、基本的に大学は自校の头脳の流出を防ぐため、何らかの形で自校の学生を受かりやすくすることが多いようです。そのため、外部から受験して大学院入试に合格するのは难しいと言えます。
神冈での研究の始まり―カミオカンデ―
东京大学小柴研究室では、岐阜県飞騨市神冈町にある旧神冈鉱山の地下1000メートルに「カミオカンデ」という観测装置を建设し、カミオカンデによるデータを用いた研究を行っていました。
&苍产蝉辫;そもそもの始まり
そもそもの始まりは、1970年代の新しい素粒子理論によって、原子核内にある阳子が約1030年(今の宇宙の年齢の100億倍の100億倍)の寿命で崩壊すると予言されたことにあります（とてつもなく長い寿命のため、実生活では阳子が壊れようが壊れまいが関係ありませんが、学問の上では重要なのです）。
この予言を受けて、世界中で阳子の崩壊を検出する実験が開始されました。その1つが日本で建設されたカミオカンデによる観測です。
カミオカンデは、縦横16メートル、3000トンの純水タンクの内壁に1000本の光検出器を取り付けたものです。純水中の阳子が崩壊された際に発せられる「チェレンコフ光」という光の観測を目的として建設されました。
このカミオカンデですが、もちろんどこかで売られているものではありません。カミオカンデは、1983年に梶田先生たち研究者によって建设されたのです。
讲演では、ボートに乗ってタンクの内壁に光検出器を取り付けている际の写真が绍介されました。ボートを用いたのは素人が足场を建设することが危険だと判断したからだそうで、光検出器の取り付けは徐々に水を増やしていきながら进められました。
梶田先生は当时を振り返り、「大学时代までは第一线の研究は全く想像ができず、大学院で自分にも研究ができるのか自信は全くなかった。しかし、大学院时代、カミオカンデを作り上げていくことを本当に楽しく思った。このようなことが物理学の発展への贡献になると思うと、やりがいも强く感じた。そして研究の世界に惹かれ、本気で研究者を目指そうと思った。」と语りました。
さて、カミオカンデは1983年7月に実験を開始しました。しかし、阳子崩壊の信号をとらえることはできませんでした。
とはいえ、光検出器の性能は非常に良かったため、実験开始から数か月后に小柴先生は太阳ニュートリノを観测しようと提案しました。
ニュートリノの観测方法
ニュートリノは非常に小さい素粒子であり、电荷をもっていないために见ることはできません。しかし、ニュートリノは稀に纯水中の水分子を构成する原子核に衝突することがあります。その际に、别の「电荷をもった」素粒子が発生し、それを光検出器でとらえることが可能であるため、カミオカンデで太阳ニュートリノを観测することができました。
なぜ太阳ニュートリノなのか
太陽ニュートリノは、その名の通り太陽で発生して太陽から飛んでくる电子ニュートリノのことを指します。ミューニュートリノやタウニュートリノは太陽では発生せず、飛んできません。太陽ニュートリノの存在は太陽で核融合が行われている証拠であり、1960年代末より世界中で太陽ニュートリノの観測が行われはじめました。
しかし、1960年代末に初めて観测が成功した际には理论値の约1/3の量しか観测できず、さらに、1980年代までは初めて観测に成功した搁.顿补惫颈蝉以外で太阳ニュートリノを観测できた研究者はいませんでした。
そこで、小柴先生は「もうちょっと顽张って（装置を改良して）カミオカンデで太阳ニュートリノを调べよう」と言ったわけです。
小柴先生は「もうちょっと」と言いますが、実际の装置の改良には、光検出器を全て1.2メートル内侧に配置しなおすなどの作业が行われ、改良する侧としては非常に大変であったといいます。
その后いろいろあって、1987年1月ごろからデータをとれるようになりました。
そのちょうど1か月后のことです。
1987年2月23日に、肉眼で见られる400年ぶりの超新星爆発が発生しました。
そして、その时にカミオカンデでは10个ほどのニュートリノが観测されていました。これが超新星爆発のメカニズムの解明となり、小柴先生の2002年ノーベル物理学赏受赏に繋がったのです。
&苍产蝉辫;大気ニュートリノ
大気ニュートリノとは、宇宙线と大気の衝突から発生するニュートリノです。
カミオカンデの主目的であった阳子の崩壊を見つけるときに気を付けねばならないノイズが大気ニュートリノでした。
1986年ごろ、やはり阳子崩壊は見つかっていませんでしたが、ノイズ（大気ニュートリノ）に埋もれて阳子崩壊の信号がある可能性もありました。そこで、大気ニュートリノについてしっかり理解して、阳子崩壊の信号をしっかり見分ける必要がありました。
そのため、新しい解析プログラムが开発されました。
しかし、プログラムを开発してすぐには、予期しないプログラムミスがあることが多いです。
そこで、まずは过去のデータに含まれるノイズを解析したところ、予想よりもミューニュートリノの数がかなり少ないことが分かりました。
...これはどこかにプログラムミスがあるに违いない、ということで、1986年暮れころから、プログラムの间违い探しが开始されました。
大気ニュートリノ（ミューニュートリノ）の不足
间违い探しが开始されてから、1年间が経ちました。
が、プログラムミスが発见されることはありませんでした。
1年も探してミスが発见されないとなると、プログラムは正しく、それによって解析されたデータも正しいものであると考えられます。
そこで、この「电子ニュートリノは理論値と観測値がほぼ同じであるが、ミューニュートリノは理論値より観測値の方がかなり少ない」という現象は、人類がまだ知らない現象であるとして、論文にまとめることになりました。
梶田先生は当时を振り返り、「この论文は世界的には『カミオカンデは何を间违えたのだろう』というように评判が悪かったが、1年も间违い探しをしてきた身としては、このデータをすごく重要に感じ、この谜を解明することに専念することにした。谜を解き明かすわくわく感があり、研究者としてはこのころが一番楽しかった。」と语りました。
大気ニュートリノの不足はニュートリノ振动のせい？
もしニュートリノが質量を持っていれば、ニュートリノは飛来する間に種類を変えます。例えば、ミューニュートリノとタウニュートリノの間でニュートリノ振动が起こります。
このことは理论的には50年以上前に、黑料网の牧?中川?坂田博士の3名によって予言されていました。
ニュートリノは地上から10~20kmの高さで発生します。しかし、20km程度の距離ではニュートリノ振动は起こらないかもしれません。
しかし、地球の反対側で発生し、地球を貫通して地面から飛んでくるニュートリノを観測すれば、ニュートリノ振动が起こっている可能性が高いです。
そこで、空からくるニュートリノと地面からくるニュートリノの数が違えば、ニュートリノ振动が起こっていると言えるはずです。
...しかし、3000トンのカミオカンデでは、これを観测するには小さすぎました。
そこで、新たに「スーパーカミオカンデ」が建设されることになったのです。
&苍产蝉辫;スーパーカミオカンデ
カミオカンデは、縦横16メートル、3000トンの纯水タンクの内壁に1000本の光検出器を取り付けたものでした。
一方、スーパーカミオカンデはカミオカンデの20倍の有効体积を持っており、縦横41メートル?39メートル、5万トンの纯水タンクに1万1千本の光検出器が取り付けられたものです。
また、カミオカンデとは异なる点として、スーパーカミオカンデはニュートリノに関する研究に特化して作られたことが挙げられます。
スーパーカミオカンデは1995年に建设され、1996年に纯水が注入されました。
ニュートリノ振动の発見
スーパーカミオカンデを用いて、ミューニュートリノによるチェレンコフリングのデータを手分けして解析しました。
その结果、地球の反対侧で生まれたミューニュートリノが地球内部を1万キロ进むうちに、そのうちの半数がタウニュートリノに変わっていたことが明らかになりました。
これは紛れもないニュートリノ振动の証拠であり、1998年ニュートリノ国際会議で発表されました。
なんと、この発表の翌日に、当時のクリントン大統領がマサチューセッツ工科大学卒業式にて、ニュートリノ振动の発見について触れてくださったそうです。
梶田先生は発表の次の日に大统领に触れてもらったことは光栄である、と语りました。
また、もし発见が今だったら今の大统领(トランプ大统领ですね)は何と言うだろうか、という冗谈も交えておられました。
もう1つのニュートリノ振动の発見
さて、话は太阳ニュートリノに戻ります。
太阳ニュートリノが理论の1/3しか観测されないという问题があったわけですが、やはりカミオカンデで観测しても、理论よりも太阳ニュートリノは少なく観测されていました。
実は、20世紀の太陽ニュートリノ実験は、全て「电子」ニュートリノの不足を観測していました。足りない理由はもちろんニュートリノ振动だったわけですが、ニュートリノ振动の証拠が20世紀中に得られることはありませんでした。
しかし、2001年から2002年にかけて、厂狈翱(サドベリー?ニュートリノ天文台)実験という、カナダの鉱山にて1000トンの纯粋な「重水(重水素からなる水)」を用いた実験によって、太阳ニュートリノ问题は解决されました。
重水は电子ニュートリノの数だけでなく、全ての種類のニュートリノの数を観測することができます。
太陽で作られるニュートリノは必ず电子ニュートリノであるわけですが、全種類のニュートリノの合計が、太陽で作られているニュートリノの理論値に一致していたのです。
以上のニュートリノ振动の発見という功績により、2015年に、スーパーカミオカンデを用いて大気ニュートリノのニュートリノ振动を発見した梶田先生と、太陽ニュートリノのニュートリノ振动を発見したSNO実験の責任者であったアーサー?マクドナルド先生がノーベル物理学賞を共同受賞したのです。
さて、私たちは电子に質量があることを知っています。
クォークに质量があることも知っています。
では、なぜニュートリノに质量があることを、これほどまでに喜ぶのでしょうか。
ニュートリノの质量と宇宙
なぜニュートリノの质量が大切なのか
クォークや电子の仲間は、世代が増えるとより重くなります。
これらの世代と質量をグラフで表すとわかりますが、ニュートリノの質量は电子やクォークの仲間に比べて100億倍かそれ以上軽いのです。
その、あまりにも小さいニュートリノの质量が、私たちが素粒子の世界や宇宙をより深く理解する键であるかもしれません。
具体的には、、という谜を解く键が、小さい质量を持ったニュートリノにある可能性があるのです。
3代目カミオカンデ、「ハイパーカミオカンデ」
现在、スーパーカミオカンデをさらに8倍大型化した、「ハイパーカミオカンデ」の建设が検讨されています。
ハイパーカミオカンデは、宇宙の物質の起源の検証を目指し、ニュートリノ振动をより細かく観測することを目的とします。
具体的には、ニュートリノのニュートリノ振动と、反ニュートリノのニュートリノ振动に違いがあるかを調べることを目的としています。仮に、ニュートリノと反ニュートリノの間に差異が認められれば、現在の宇宙に反物質が存在しない理由...つまり、宇宙の物質の起源の解明につながるでしょう。
また、ハイパーカミオカンデは、カミオカンデの当初の目的であった阳子崩壊や、超新星爆発を観測することも目的としています。
超新星ニュートリノ再び
超新星爆発のメカニズムは长らく计算机で再现できていませんでしたが、近年になってようやく、超新星爆発をある程度シミュレーションで再现できるようになりました。
しかし、本当にシミュレーション通りか、多くのニュートリノを観测して确かめる必要があります。
例えば、オリオン座のベテルギウスという星はいびつな形状をしており、いつ超新星爆発をしてもおかしくないと言われています。このベテルギウスが超新星爆発したときのスーパーカミオカンデでの予想ニュートリノ反応数は2500万にも上ります。
また、ハイパーカミオカンデを用いてニュートリノを観测することで、超新星爆発の歴史を探ることが可能です。
というのも、过去の宇宙で、今まででも超新星爆発は何度も起こっています。过去の超新星ニュートリノを観测することで、超新星爆発の宇宙史を完成させることもできるということです。
ハイパーカミオカンデは、2020年からの建设开始を目指して準备が进んでいるということです。
まとめ
まとめとして、梶田先生は「いい先生?いい仲间?いい研究プロジェクトに恵まれた」と仰っていました。
また、「科学研究は素晴らしい。若い皆さんにも科学に兴味を持ってもらい、科学研究に参加してもらえればと思う。」とのことです。
そして最后に、「若くない人には子供に科学の素晴らしさを伝えてほしい」とおどけていました(会场には一般の、大人の方々が多く见られました)。
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そろそろセンター试験ですか。
この时期に受験生ってこのサイト読んでるんですか？
まぁ、世间では受験生は寝る间も惜しんで必死になって勉强しているのが当たり前だと思われているようですが、僕はそうは思いません。
别に试験前日に游んでても受かる学生は受かります。
とりあえず、试験にはリラックスして临んでください。
で、春には名大理学部で科学研究に参加してもらえればと思います。
Profile
所属：理学部物学科2年生
出身地：静冈県
出身校：静冈県立浜松南高校