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。

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