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2020年01月26日06:18

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陽子崩壊を捕らえて大統一理論実証目指すハイパーカミオカンデの建設

 岐阜県飛騨市神岡町の山奥にあった旧神岡鉱山の地下でハイパーカミオカンデの建設が進んでいる。

◎2つのノーベル賞授賞のカミオカンデとスーパーカミオカンデ
 神岡町は、カミオカンデ、そしてその次の世代のスーパーカミオカンデのある所だ。
 カミオカンデで、1987年2月23日、銀河系外の大マゼラン星雲で起きた超新星爆発で生じたニュートリノを東大の小柴昌俊教授が世界で初めて検出し、この功績で2002年度のノーベル物理学賞を授賞した。
 次世代のスーパーカミオカンデは、さらに高性能化されて1996年に稼働開始し、2年後にこのスーパーカミオカンデでニュートリノ振動が確証され、ニュートリノにも質量のあることが世界で初めて確認され、2015年に東大の梶田隆章教授がノーベル物理学賞を受賞した(写真=旧神岡鉱山地下に設置されたスーパーカミオカンデの入口と同内部)。

◎今度こそと狙う陽子崩壊
 今度のハイパーカミオカンデは、スーパーカミオカンデからさらにパワーアップが図られる(写真=壁面に多数の光電子増倍管が並ぶスーパーカミオカンデの水槽の内部)。
 岩盤深くの地下に650メートルの大空洞を掘って、高さ60メートル、直径74メートルの円筒形の巨大水槽を設置し、ここに約26万トンの超純水を蓄え、内水槽の壁面に50センチ径の超高感度光センサー4万本、外水槽の壁面に20センチ径の高感度光センサー6700本を取り付ける計画となっている。
 目的は、今度こそ「陽子崩壊」をキャッチすることだ。実は小柴氏がカミオカンデを造った目的は、陽子崩壊を世界で初めて捕まえることだった。
 結果的に陽子崩壊は見つからなかったが、偶然にカミオカンデのセンサーに超新星爆発で発生したニュートリノを捕捉することに成功した。いわばニュートリノの検出は、「怪我の功名」であった。

◎宇宙より遥かに遥かに長い陽子の超々長寿命
 原子核を構成する陽子は、極めて安定している。しかし宇宙の年齢よりも遥かに遥かに長い時間がたてば、寿命が尽き、自然に崩壊することがあることは理論的に予言されている。
 それが大統一理論で、物質に働く4つの基本的な力(重力、電磁気力、強い力、弱い力)のうち、後の3つの力を統一的に説明する理論だ。大統一理論によれば、陽子が中間子や電子の仲間のような他の種類のより軽い粒子へ壊れることを予言している。
 しかし、その寿命は超天文学的に長いとされる。大統一理論にはいくつかのバージョンがあるが、そのうちの最もシンプルな理論でも、陽子の寿命は10の30乗〜10の32乗年と予測されていた。ちなみに宇宙の年齢は10の10乗年、つまり約137億年だから、陽子の寿命がいかに永遠に近いものか分かる。

◎スーパーカミオカンデでも捕らえられず
 小柴氏は、地下タンクに3000トンの超純水を蓄え、タンクの壁面に1000本の光電子増倍管を備えて、陽子崩壊時に放出されるニュートリノをキャッチしようとしたのだ。これだけの量の水を蓄えれば、確率的に起こる陽子崩壊を数年のうちには捕らえられると考えた。
 ところが結果的に陽子崩壊は捕らえられなかった。しかし前述のように、銀河系外遥か遠くの超新星爆発のニュートリノを捕らえられたのである。
 このことから、陽子の寿命は実はもっと長く、10の34乗年以上であることが予測され、さらにスーパーカミオカンデで大量の超純水5万トンを巨大タンクに蓄え、確率的に起こる陽子崩壊を1万本以上の光電子増倍管で捕らえようと待ち構えていたわけだ。ちなみにこれだけの量の超純水には7×10の33乗個の陽子が含まれている。

◎陽子崩壊を捕らえられれば3度目のノーベル物理学賞は確実
 仮に陽子の寿命が10の34乗年であるとすれば、1年に1個程度の陽子崩壊は確認できるはずだ。
 しかし稼働開始以来13年たっても、まだ捕らえられていない。つまり陽子の寿命は、さらに長いらしいのだ。
 ハイパーカミオカンデは、センサー感度を向上させ、スーパーカミオカンデの5倍以上の超純水で、陽子崩壊を待ち構えることになる。うまくすれば、1年に1個程度の陽子崩壊は捕らえられるという。
 もし陽子崩壊を確認できたら、大統一理論が実証され、それは疑いなくノーベル物理学賞の筆頭候補になる。
 はたしてどうなるか。ハイパーカミオカンデが完成し、観測開始となるのは早くて2026年度という。

注 容量制限をオーバーしているため、読者の皆様方にまことに申し訳ありませんが、本日記に写真を掲載できません。
 写真をご覧になりたい方は、お手数ですが、https://plaza.rakuten.co.jp/libpubli2/diary/202001260000/をクリックし、楽天ブログに飛んでいただければ、写真を見ることができます。

昨年の今日の日記:「都民ファースト離党第2陣、3人の新人都議が離党、風がやんだ都民ファーストに解体の兆し」

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コメント

  • mixiユーザー

    mixiユーザー2020年01月26日 08:20
    おはようございます。
    この宇宙より長いなんて陽子はビックバンよりももっと以前からあったってことでしょうか?
    すごい気が遠くなる寿命ですね。
  • mixiユーザー

    mixiユーザー2020年01月27日 06:27
    鈴木@生涯筋トレさん

     おはようございます。
     いや、そういうわけではありません。確率的にそれほどの長寿命だというだけです。ですから、宇宙に無数にある陽子の中には、寿命が尽きて崩壊するものもあり、それを捕らえようというわけです。

    kawanobu

mixiユーザー

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