中村光廣(F) - 名古屋大学 物理学教室

原子核乾板による
ニュートリノ／暗黒物質研究
中村光廣 F研
OPERA
名大F研主導の史上最大の
原子核乾板実験
730km
730km
タウニュートリノ出現検出によ
るニュートリノ振動現象の存在
の最終検証を行なう
日欧共同研究 :
研究者：180 名,
研究機関 33 （12 ヵ国）
2006年 8月：最初のニュートリノ
2008 RUN : 約1000反応
2009 RUN : 約2000反応
2010 RUN: 約3000反応
ニュートリノ質量
 ニュートリノ振動
1962年中川、牧、坂田
坂田昌一博士（名古屋大学）(1911-1970)
今回のOPERAのνμ→ντ反応
濱田
野々山
吉岡
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
2010年6月 佐藤修 Neutrino2010で発表
D論
4
拡大
Zoom
濱田
野々山
吉岡
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
2010年6月 佐藤修 Neutrino2010で発表
D論
5
宇宙にある
ニュートリノの数：
原子の総数の数
億倍
ニュートリノの重さ
水素原子の数億分の一
より重ければ・・・
F研固有のモチベーション
Fermilab E531 + CHORUS
宇宙の暗黒物質として面白い
質量領域の探索
E531
CHORUS
1981,1986
1998, 2001
 振動に上限
 OPERA CNGS

80
P r 0 Ge
ot
on V
TEVATRON
Muon Sweeping Magnet
Iron/Pb Shield
Tungsten Beam
Dump
1m long
Emulsion- Scintillating
Fiber Hybrid Target
DONUT
Prompt Neutrino Beam
Emulsion-SFT hybrid Target
The OPERA Detector @ Gran Sasso, Italy

OPERA実験の三技術要素
• タウニュートリノを捕まえる原子核乾板技術
→ F研 （DONUTの３０００倍の標的）
• 純粋なミューニュートリノビームを生成する技術
→ 欧州原子核機構CERN
• ニュートリノが振動するのに十分な時間
→ スイスーイタリア ７３０ｋｍ
CERN GranSasso
→ 検出器の設置/実験の遂行 イタリア
The OPERA Detector @ Gran Sasso, Italy

15万個の ECC：ニュートリノ反応を写すフィルムカメラ
Gran Sasso
Hall C
OPERA ECC
鉛板(1mm) / 原子核乾板 (OPERA film) サンドイッチ
~ DONUT ECC と同構造
1 mm


Pb
原子核乾板
56 鉛板+ 57 フィルム
総数15万個
100mm
125mm
フィルム930万枚
リフレッシュ
中村琢 D論 (Nagoya Univ. )
R&D @ Nagoya & Fujifilm
リフレッシュ条件
・T= 30℃
・RH ＞95%
3日
名古屋の夏！
前
後
B.G. > 30tracks / mm2
B.G. < 1tracks / mm2
Refresh処理により製造時に蓄積される宇宙線、自然放射能による
使用前に記録された不要な飛跡を
B.G.飛跡を98%以上消去可能！
~９８％ 消去
岐阜県土岐市 東濃鉱山のフィルムリフレッシュ施設 2004年1月
作業風景＠東濃鉱山
作業風景 地下96mの第1リフレッシュ室
第1Refresh室
現在ニュートリノ反応を蓄積中
記録された反応例 ( one -  event )

中野敏行 開発 世界最高速自動飛跡読取装置SUTS
東濃鉱山OPERA解析センター
耐震工事で東山キャンパスを追い出される。
2011年4月に東山キャンパスへ帰還
博士の収穫期 長縄、森島、福田（２００９）、野々山、濱田、吉岡（２０１０）
LNGS
European Scanning System
Nagoya
欧州で活躍する
連中はF研で研修
／研究経験を積
んだイタリア人、ト
ルコ人
そして
日本人博士たち
有賀、古川、河田
Super-UltraTrack Selector (Japan)
25
名大のオリジナル：
原子核乾板技術
発展中
• 応用研究 ： 宇宙線ラジオグラフィー
火山・熔鉱炉の透視
中性子ラジオグラフィー
• 基礎研究 ： 暗黒物質の検出
（＝暗黒物質望遠鏡）
2010年 原子核乳剤の開発を開始
次世代読み出し装置の開発開始
火山の透視
muon
中野敏行ー田中（東大地震研）共同プロジェクト
なぜ原子核乾板?
電気不要！置く場所を選ばない
昭和新山
昭和新山の宇宙線写真
世界初の成果
昭和新山
浅間山
Mt. Asama
結果
ECC Muon Detector
宮本（東大地震研 F研OB OPERAで博士）普賢岳のデータ収集中
熔鉱炉の健康診断
• 熔鉱炉は二酸化炭素の二大発生源のひとつ
である。
• 高炉は時々体調が悪くなって、コークスの無
駄炊きが起こる。いったいどこが悪いのか?
• 高炉の中は誰も見たことがなかった!!!
宇宙線ミューオン非破壊検査
実測
高炉のイメージ図
予測
中野敏行ー新日鐵 共同プロジェクト
宇宙の構成要素
地球をすり抜けてゆく
暗黒物質の直接検出
暗黒物質の
風
Earth
暗黒物質
Sun
230km/sec
蹴っ飛ばされた
原子の飛跡
長さ～ 200nm
Vrecoil = 2 ( Vsun + VWIMP )
= 100～1000km/sec
暗黒物質検出用原子核乾板
OPERA 用フィルム
200nm
暗黒物質検出
200nm
原子核乳剤開発 F研-富士フィルムOB共同プロジェクト
暗黒物質検出用原子核乳剤
名大製造の第一号：NNK001T
α線の飛跡
暗黒物質に蹴飛ばされた原子の飛跡の模擬
84Krイオンを打込 確かに写る
夏目D論
600 nm
Kr
1200km/sec
(600keV)
expected range : 500nm
電子顕微鏡像
600keV Kr 飛跡 引き伸ばし！
中竜大 D論
拡大画像
2μm
光学顕微鏡像
Confirmation of tracks by Xray Microscope 田原氏（Ux）との共同研究
SPring-8 BL47XU @Japan
8keV Xray
光学顕微鏡によるselection
Trackのある視野をX線顕微鏡で
pinpointでチェック
Fiducial markで座標を作成し、machingさせる。
・X線顕微鏡ステージ精度：0.5μm
非破壊かつ高分解能な観察が
・焦点深度：70μm
可能!!
・空間分解能: 100nm
中竜大
D論
光学イメージとX線イメージの対応付け
Optical image
X-ray image
200nm
Range=752nm
↓
Original range=376nm
5grain track
Range=344nm
↓
Original range=172nm
2grain track
Range=262nm
↓
Original range=131nm
2grain track
光学でのtrack selection ⇒ X線顕微鏡での詳細解析のプロセスを実証。
ただし、X線顕微鏡のemulsionに対する最適化はもう少し必要。
高感度原子核乳剤開発 長縄ー桑原（富士OB）共同プロジェクト
新乳剤（高銀・Na型）最小電離粒子飛跡 GD=80.4±4.5 !!
FD= 7.3±2.2
100μm
OPERA Film
GD=34.8±0.6
FD= 3.7±0.4
100μm
高速カメラ群と
大型対物レンズ
X軸：高速ステップ
反転同期駆動
対物レンズの
上下駆動機構
Y軸：通常駆動
フィルム交換
超高速顕微鏡ステージの構想図
照明光学系
位置微調整
上下退避駆動
市販の定盤
１ｍｘ２ｍ
縦1m、横2m、高さ1.5m、重さ1.4トン
中野、駒谷 次期計画
Optical system for new nuclear emulsion readout
Resolution
~420nm
N.A.
0.65
Exposure light source g-line (435nm)
Reduction ratio
1:12.2
F.O.V.
5.1 (H)  5.1 (V)mm
# of image plane
6 (by Beam splitter)
コニカミノルタとの共同開発
ナックとの共同開発
Image sensor prototype 9/image plane
×12.2 (0.45m)
5.000mm
(0.409mm)
61.664mm
(5.043mm)
0.985mm
(0.081mm)
59.994mm
(4.91mm)
カッコ内の寸法は物体側寸法
Pixel pitch :
5.5m (2048 1088)
Effective area :
11.264mm ×
5.984mm
Package dimension :
18.65mm × 13.50mm
Sensor pitch :
20.56mm × 20.00mm
1868×2 × 909×4
FOV: 25mm2×12.5%×4
Throughput: ４５００ cm２/h
@１０view/s
5mm/0.02sでのステップ動作 ＋ 停止時の揺動 0.1μm以内
同一平面、同一軸上に重心と駆動点を合せる
河合（金工）-安川電機共同プロジェクト
Evolution of the Scanning Power
Speed in cm2/h
4500-9000
10000
1000
72
100
10
1
1
0 .0 8 2
0.1
0.01
0.001
0 .0 0 3
TS(TTL)
NTS(CPLD)
UTS(FPGA) SUTS(FPGA)NEW(GPGPU?)
まとめ
• OPERAの成果が出始めた！
世界初のLepton Flavor Violationの直接観測！！
名大発のニュートリノ振動研究の集大成
→ 反ニュートリノの怪 への挑戦も
• 広がる応用研究
火山、熔鉱炉の非破壊検査（地震研、会社との共同）
• 更なる技術開発による物理の最重要課題 暗黒物質検出へ挑戦
原子核乳剤の自前開発 （富士フィルムOBとの共同）
X線顕微鏡の活用 （U研 田原氏との共同）
次世代光速原子核乾板読出し装置
• その他多くのアイデアあり 行動しながら考える