Ladies and gentleman.
I am very much helped by the preceding talk, because I can skip some of the topics in my talk.

ご紹介いただきましてありがとうございます。これで、2、3のことを話す手間が省けました。

Now, the title of my talk is "Birth of neutnno Astrophysics" . Since the time is limited, if you want further information, please refer to this article "Observational neutrino Astrophysics" which was printed in Physics Report some years ago.
(May I have the next one?)

さあ、これから「ニュートリノ天体物理学の誕生」という題で話しましょう。時間が限られていますので、さらに詳しく知りたい方は、数年前に「Physics Report」誌に掲載された論文「Observational Neutrino Astrophysics (観測ニュートリノ天体物理学)」を参考にしてください。
(次のスライドに進んでいただけませんか。)

Now, I am to talk about the birth of the Neutrino astrophysics. But before the birth, there was a very great event which was just described by Professor Davis. It is the radiochemical work of Raimond Davis using the reaction as given there. This could be considered as the conception of the neutrino astrophysics and was the impetus for us to begin seriously working on the solar neutrinos.
(Next one ! )

それでは、ニュートリノ天体物理学の誕生について話を始めます。もっとも、ニュートリノ天体物理学の誕生の前に、(2002年ノーベル物理学賞を共同受賞した)レイモンド・デービス教授によって偉大な研究がなされました。それは、このスライドに書かれたような反応を使った放射化学的な手法による研究です。この研究によって、ニュートリノ天体物理学の着想を得ることができ、私たちが真剣に太陽ニュートリノを研究し始めたきっかけにもなりました。
(次、お願いします。)

Now, here are the experiments I'm going to talk about.

The first one is original Kamiokande which is, what might be called, imaging water Cherenkov detector with their surface coverage of photomultiplier tubes 20% coverage and total mass of the water inside this detector is 3000 tons. It cost about 3 million US dollars. This, remind you, is the feasibility experiment on the solar neutrino detection. And the second experiment I'm going to talk about is called Super-Karniokande and the same type of the detector but with the better light sensitivity, that is 40% surface coverage by the photocastle and total mass of the water is 50,000 tons. It cost about 100 million US dollars. And this is considered to be the full scale solar neutrino observatory. And both experiments are situated about 1,000 m underground in Kamioka Mine. The capital NDE at the end of the two experiments originally implied Nucleon Decay Experiment, however because of our detection of various neutrinos by these detectors people started calling that Neutrino Detection Experiment.

I don't care which but may I have the next slide.

このスライドは、これから話す実験装置について書いてあります。

1番目に書かれているのは初代カミオカンデで、いわば水を使ったチェレンコフ光検出装置です。表面の20%が光電子増倍管で覆われており、検出装置中の水の総量は3000トンです。総工費はだいたい300万ドルかかりました。この装置は、太陽ニュートリノの検出が可能です。

2番目は、これから私が話す装置で、スーパーカミオカンデと呼ばれています。初代カミオカンデと同じタイプのチェレンコフ光の検出装置ですが、感度がよく、表面の40%が光電子増倍管で覆われています。水の総量は50000トン、総工費はおよそ1億ドルです。この装置は、(時間、方向、エネルギー分布の3要素)すべてが測れる太陽ニュートリノ観測所です。

カミオカンデもスーパーカミオカンデも、神岡鉱山中の地下1000mの場所にあります。カミオカンデ(KAMIOKANDE)の「NDE」は、初めは「核子崩壊実験(Nucleon Decay Experiment)」の頭文字でしたが、私たちがニュートリノの検出ばかりしているので、最近は「ニュートリノ検出実験(Neutrino Detection Experiment)」の略だと言われています。

おっと、気づきませんでした。次のスライドをお願いします。

Fish-eye View of KamiokaNDE's Interior

This is the bird's eye view of the Kamiokande detector. You can see allays of the photomultipliers on the walls and top lid and also we have photomultiplier at the bottom.

これは、カミオカンデの検出器を魚眼レンズで見たものです。壁と天井に光電子増倍管の連なりが見えるでしょう。底にも光電子増倍管はあります。

50cmΦ PMT which made the two detectors precision devices

And when we were preparing for this Kamiokande experiment, we heard that much bigger similar type experiment is being planed in the United States. We had to think very seriously about the competition with this bigger detector. Both experiments aimed for detection a certain type of proton decay. If we were aiming only for the detection of such particular type of proton decays, certainly much bigger US experiment will find it first. Then what can we do with smaller detectors We thought very seriously about this competition and we came to the conclusion the only possible way to compete with this bigger detector is to make our detector much more sensitive than US competitor's. So that we can not only the easiest to detect proton decay mode but also we can measure other types of proton decays. So that eventually we can say proton decays into this mode with this branching ratio and to this mode with this branching ratio and so forth. So that our experiment will be able to point the way to the possible future what is called grand unified theory which is a new type of theory combining strong forces, weak forces and electromagnetic forces. We don't know this type of theory yet.

Now thanks to the cooperation of Hamamatsu Photonics, we jointly developed this very large photomultiplier tube. I was so happy that this was successfully developed.

私たちがカミオカンデでの実験を準備していた時に、アメリカでは、同じタイプで、カミオカンデよりもずっと大きい装置を作る計画をしていると聞きました。私たちは、その大きい装置に勝てる方法を懸命に考えなくてはなりませんでした。アメリカの装置もカミオカンデも、ある種の陽子崩壊を捕らえるのが目的でした。もし、私たちがある特定のタイプに属する陽子崩壊の検出だけを目的にしたら、大きさの面で非常に勝るアメリカの装置の方が確実に先に見つけるはずです。それならば、私たちは小さい装置で何ができるでしょうか？一所懸命、いかに勝てるかを考え抜いた結果、この大きい装置に勝つための唯一の方法は、私たちの検出装置をライバルであるアメリカの装置のものより感度良くすることだという結論に達しました。そうすれば、私たちは一番検出が簡単な陽子崩壊モードだけでなく、他のタイプの陽子崩壊まで測ることができます。そして最終的に、私たちは他の陽子崩壊モードの分岐比も測定できるようになりました。とすれば、弱い力・強い力・電磁気力を統一した新しい理論である、いわゆる「大統一理論」がどのような方向に進むべきかの指針を得ることができます。私たちはこの理論についてまだよくわかっていません。

さて、この場で浜松ホトニクスのご協力に感謝いたします。私たちのグループと浜松ホトニクスは、この直径50cmの大きい光電子増倍管を共同開発しました。この光電子増倍管の開発が成功したときは、私は非常に喜びました。

Fish-Eye View of Super- KamiokaNDE's Interior

Now, this is a Super-Kamiokande detector. Inside of this detector is shown here. You can see many more phototubes, total of about 11000 big phototubes.

さあ、これがスーパーカミオカンデです。装置の内部写真をお見せしましょう。カミオカンデよりもっと多くの光電子増倍管が見えるでしょう。全部で11000個あります。

Now, since not many people here are familiar with this type of detectors, I want to show you the perfomance of Super-Kamiokande.

First example is the very slow motion picture whencosmic ray muon enters the detector and passes through to the bottom. As you know, special relativity prohibit any particle to move faster than the velocity of light in vacuum. However, in a media like water, light velocity itself is reduced to its 3/4 of its value in vacuum. Therefore, it is possible when a particle energy is very high, its velocity can exceed the velocity of light in the water because light velocity in the water is reduced. Then what happens is that such high energy high velocity particle in water will generate, what might be called, shock-wave of light, which is called Cherenkov light. It is emitted in a corn-shape with axis equal to the projectory of the moving electrically charged particle.

(Next one)

きっとこの会場にいるみなさんの中で、この種の検出装置になじみ深い人は少ないと思いますので、スーパーカミオカンデの運用例をみせましょう。

最初の例は、宇宙線ミューオンが検出装置に入り、底まで通り抜けるまでのスローモーション写真です。ご存知のように、真空中では、いかなる粒子も光の速度より速くはなれないという制約があります。しかし、水のような媒体中では、光の速度それ自身が、真空中の4分の3の速さに減速します。したがって、粒子のエネルギーが非常に高いときには水中ではその粒子の速度が光速を超えることがあります。光は水の中で減速していますから。そのような高エネルギー・高速の粒子は水の中を走ったとき、チェレンコフ光と呼ばれる衝撃波ができるのです。チェレンコフ光は荷電粒子の進路を軸として、円錐形に放出されます。

The μ has just entered the detector.

Here it is a expanded view of a Super-Kamiokande detector. Side is cut open and extended like that and upper lid is opened like that and the bottom is like this. It is like tin-can open. OK? And each dot here represents the photomuliplier. Red light shows it received large number of photoelectrons. The different color indicates different number of received photoelectrons. And this is time profile of the total number of photons received. OK?

(Next one, please)

これは、スーパーカミオカンデの展開図です。側面で切って、開いて、このように広げ、天井も底もこのように開きました。ちょうどブリキ缶を開けたようです。いいですね？そして、ここにある1つ1つの点は、光電子増倍管を表しています。赤い光は多数の陽電子を検出したことを示します。色の違いによって、受けた陽電子の数の違いを表します。そして、この図は、時間を軸に取った、受けた光子の総量を表しています。よろしいですね？

Now you can see particles moving in this way and Cherenkov light wave front is right here. OK?

(Next one)

このスライドでは、こちらの方向にミュー粒子が動いているのを表しています。チェレンコフ光の波面がここにあります。

The μ has reached to the bottom of the detector, while the Cerenkov light in water is still on its way.

Now, 50 nanosecond later, Cherenkov light traversed to this point, while the particle itself with much higher velocity already reached the bottom. You can see that particle is travelling faster than the light velocity in water.

(Next one please)

前のスライドの50ナノ秒後です。ミュー粒子は光よりもずっと速い速度なので、チェレンコフ光はこの位置まで通り抜けています。ミュー粒子が水中で光速より早く動いているのがわかるでしょう。

Now the Cherenkov light developed proceeded further and you can see more at the bottom.

(Next one)

このスライドでは、チェレンコフ光がもう底まで届いています。

It is fully developed now.

(Next one)

さらに時間が経つと、チェレンコフ光が全体に広がっています。

The data of the outer anti- counter are shown, while the inner data are moved to the top right.

Now, The inner detector is shown here. This is the result of outer detector anticoincidence layer. And you can see some signal at the exit and also at the entrance in the outer anticoincidense layer.

内部の検出装置の結果をこちらの小さい方で表して、外部のアンタイカウンターの検出結果の展開図を示しましょう。粒子が出て行ったところも光っているし、粒子が入ってきたところもまだ光っています。

The top e-event has a blurred radial distribution of Cerenkov photons, while the bottom μ-event has a crisp ring image. The discrimination between e and μ is accomplished with an error probability of less than 1 %. The μ-event has the decay electron later.

Now these two examples are one by electron and the other by muon. You can see the difference in the distribution of detected photons, especially in the radial distribution of photons. You see, electron and muon are very similar particles. The only difference is that this particle has much more rest mass about 200 times heavier than this electron. It means that in traversing water this particle suffers much less scattering, while this one get scattered very much not only that it emits gamma rays, gamma rays converted into electron and positron, those low energy electrons get scattered. Therefore, the Cherenkov light emitted by those low energy particles is distributed randomly like this. By making a quantitative measurement of the radial distribution of those photons you can make very good distinction between muon event and electron event with the mistaking probability of less than 1 %. This was the nice feature of a detector and this feature lead us to discover what is called atmospheric neutrino anomaly. I will discuss it later.

この2つの図は検出装置を電子が通った場合(上)とミュー粒子が通った場合(下)を示しています。検出された光の散乱の様子の違いがわかるでしょう。とくに電子の方は方々に散らばり、ミュー粒子の方は散乱光の縁がしっかりしています。電子とミュー粒子は非常に良く似た粒子です。唯一の違いは、ミュー粒子が電子の約200倍の静止質量を持つことです。とすると、ミュー粒子は水中を動くときにほとんど散乱されません。一方、電子のほうは、低エネルギーなだけが理由でなく、ガンマ線を放出したり、そのガンマ線が電子と陽電子に崩壊したりするので、非常に散乱されます。だから、これらの低エネルギー粒子から出たチェレンコフ光はふらふらと動きながら散乱するのです。なので、この光の放射分布をきちんと量的に測ってやると、これが電子によるものなのかミュー粒子によるものなのか、1%より低い誤差で区別することができます。この特徴が(ニュートリノの質量がゼロでないことを示した)大気ニュートリノ異常の発見につながりました。後ほどお話しましょう。

Now, I'm going to talk about 4 accomplishments of old Kamiokande.

それでは、これから初代カミオカンデで行われた4つの成果についてお話しましょう。

The first one is this. That is astrophysical observation of solar neutrino by means of electron neutrino and electron scattering in water. By astrophysical observation we mean information on the arrival direction of the neutrino and the arrival time of the neutrino and also spectral information on the neutrino. Those three as requirements to the observation to the astrophysical. Now in the case of ne-electron scattering since electron rest mass is only 0.5 Mev. The incoming neutrino of say 10 Mev neutrino would kick electron almost in the dead forward direction. That is, by observing this recoil electron you can infer the arrival direction of neutrino. OK?. And also the energy spectrum of recoil neutrino has one-to-one relation to the original neutrino energy spectrum. And the timing is accurate to better than 10 nanosecond. OK.?

Second achievement is observation of supernova neutrino by means of antielectron neutrino on proton in water. And this produces e+ and neutron. And this e+ is observed by the Cherenkov light. I will show it to you later.

The third accomplishment is discovery of what is called atmospheric neutrino anomaly. That is, as I say, since we can definitely separate muon event and electron even. OK? We could measure atmospheric number ratio of ν_μ / ν_e very accurately by observing muon event and electron event separately. And it was discovery at more than 4s but this result was later firmly confirmed by the much better statistics data of Super-Kamiokande, I will show it later.

(Thank you)

And not many people are interested in proton decay any more but non observation of proton decay by this Kamiokande experiment killed well-known grand unified theory based on what is called SU(5) but we go on to the next.

最初の成果は、電子ニュートリノと水中で散乱した電子を用いた太陽ニュートリノの観測天体物理学です。観測天体物理学によって、私たちは太陽ニュートリノの到達時間、到達方向、エネルギー分布を得ました。この3要素は、観測天体物理学では必須のものです。電子の静止質量は0.5Mevしかないので、電子ニュートリノのエネルギーは10Mevなので、電子は入射した電子ニュートリノの方向に跳ね飛ばされます。したがって、跳ね返った電子を観測すれば、ニュートリノの到達方向が推測できます。跳ね返った電子のエネルギースペクトルは本来の電子のエネルギースペクトルと一対一対応をします。時間の精度は10ナノ秒よりいいです。

2番目の成果は、水中の陽子の反電子ニュートリノを使った、超新星ニュートリノの観測です。このニュートリノが、e+と中性子を作ります。そしてこのe+がチェレンコフ光として観測されます。後ほどお見せしましょう。

3番目の成果は、大気ニュートリノ異常と呼ばれる現象を発見したことです。ミュー粒子のイベントと電子のイベントを厳密に区別することができたから、発見できたのです。ミュー粒子のイベントと電子のイベントを区別して観測することによって、私たちは大気中のν_μ／ν_eの数の比を非常に正確に測ることができました。これは4シグマ以上の誤差でしたが、後にスーパーカミオカンデでもっと良い状態の観測結果を出して、確認しました。後ほどお見せしましょう。

陽子崩壊について興味を持っておられる方は、ほとんどいないでしょう。しかし、カミオカンデで陽子崩壊が観測されなかったことは、SU(5)と呼ばれる大統一理論の反証となりました。まあ、でも次の話題に進みましょう。

By this diagram was shown by the previous speaker, and I will not go in the details here.

このグラフは、前の演者の方がお話したので、詳しいことは省きましょう。

Now this is the result to show the feasibility experiment by Kamiokande of observing solar neutrino with its directional information. You can see above the isotropic background. You can see accumulation of event in the direction from the sun to the earth.

(Next one)

これはカミオカンデで測ったもので、太陽ニュートリノの方向の観測結果です。これを見ると、等方的なバックグラウンドの上に、太陽の方向からのイベントが乗っているのがわかります。

This is the information on the energy spectrum of solar neutrino the expected solar standard model should lie here. So you can see all those shape is not very much different from expected theoretical anticipation but the intensities one half.

これは、太陽ニュートリノのエネルギー分布の観測データです。太陽標準モデルから期待される値はここに引いてあります。すべての観測データの値は理論値からそれほど外れていませんが、強度は理論値のほぼ半分です。

Now I go on to the observation of supernovaneutrinos since we prepared thanks to the collaboration of Pennsylvania State University lead by Professor Mann we could improve the performance of our detector very much by reducing background and so forth. And the very beginning of 1987 our detector was calm enough to start taking data on solar neutrino. Two months later we heard there was a supernova explosion in the southern sky. So we immediately look at our data and then we found supernova neutrino signal very easily because our detector was already capable of taking solar neutrino data which are much more difficult than observing supernova neutrinos because supernovaneutrino has considerably higher average energy than solar neutrino and not only that those supernovaneutrinos are bunched time width.

次に、超新星ニュートリノの観測の話をしましょう。まず、共同研究者のペンシルバニア州立大学のマン教授グループに感謝いたします。この共同研究によって、バックグラウンドが減少され、外部検出装置の性能が非常に上がったからです。1987年1月1日、私たちの装置は太陽ニュートリノの実験データが取れるくらいにバックグラウンドが落ち着きました。2ヵ月後、南半球で超新星爆発があったという報告が届きました。私たちは直ちに実験データを見ました。そして、非常に簡単に超新星ニュートリノのシグナルを発見しました。というのは、私たちの装置は、すでに超新星ニュートリノの観測よりもずっと難しい太陽ニュートリノの観測ができるようになっていたからです。超新星ニュートリノはある時間に集中しますし、太陽ニュートリノよりずっと高いエネルギーを持つので観測しやすいのです。

It is shown here. This is the background and this is a signal of supernovaneutrino. So it was very easy to detect the signal. And this observation not only gave a confirmation of the theoretical ideas on the supernova explosion, that is gravitational collapse, for instance, not only the average energy of the signals total number but also time duration of about 10 seconds implies those neutrinos are emitted from a very very dense matter like nucleus. because if they were emitted from a celestial body the time duration of the signal would have been less than one millisecond but those neutrinos had to get diffuse out of a very dense nucleus-like matter. So that it took seconds to get out of this surface which make pulse length something like 10 seconds rather than 1 millisecond.

ここに、超新星爆発時のニュートリノのシグナルとバックグラウンドが示されています。シグナルを検出するのは、非常に簡単です。この観測によって、重力崩壊による超新星爆発の理論が正しいことがわかりました。さらに、信号の持続時間が10秒間もあったことは、ニュートリノが中性子星のような極めて大きい密度の物体を拡散してから放出したことを意味しています。というのは、天体から直接、放出されると、信号の持続時間が1ミリ秒以内であるはずだからです。

νμ/νe has to be 2 or larger

Now I come to the discussion of atmospheric neutrino anomaly.

You see, when cosmic ray particle hits atmosphere, it produces π ons and K ons. Those mesons decay in air into muon and muonneutrino. So you get one muonnutrino there. If the secondary muons also decay, then you get additional nm and ne. So if everything proceded this way, you get two nm against one ne. So the number ratio is two to one. When you go to higher energy, muons of longer lifetime than pion can not decay. In these, some muon do reach our detector as you have seen before. In this case you don't get additional νμ and νe. So at high energy this ratio is definitely larger than two. OK

次に、大気ニュートリノ異常の話に移りましょう。宇宙線の粒子が大気に飛び込むと、パイ中間子やK中間子を作ります。これらの中間子は崩壊すると、ミュー粒子とミューニュートリノを出します。そして、そのミュー粒子が崩壊すると、さらにミューニュートリノと電子ニュートリノを出します。ですから、この方法ですべてのニュートリノが生成されるとすると、ミューニュートリノと電子ニュートリノの比は2：1になります。高エネルギーにすると、パイ中間子より寿命の長いミュー粒子は崩壊しなくなります。この場合、先ほどお見せしたように、ミュー粒子は検出装置に到達します。そうすると、2段階目の反応が起こりません。なので、高エネルギーではミューニュートリノは電子ニュートリノの比は2以上になります。

This is the result on ν_m / ν_e number ratio observed by various experiment. And you can see the old Kamiokande result and Super-Kamiokande with much better statistics and its all around 0.5

様々な実験で観測されたミューニュートリノと電子ニュートリノの比です。初代カミオカンデとスーパーカミオカンデの結果は、ほぼ一定で0.5のあたりを示しています。

The neutrino oscillation, this is maybe difficult part of my talk. I try to make it understandable to the first year undergraduate student but this part may be little bit more difficult. For the sake of simplicity, we consider there are only two kinds of neutrino in nature. Then for instance, wave function discribing state of a neutrino can be discribed by two indipendent base function. For instance, you can take the mass matrix to be diagonal and then choose the basic vector of mass m₁ and mass m₂. So any neutrino state can be discribed by combination of Ψ_m1 and Ψ_m2. It is like a two dimensional geometry a vector can be discribed by x-component and y-component. OK. So, this muon state muoneutrino state is a linear combination of m1 state and m2 state with a parameter theta. And two states Ψm₁ and Ψm₂ have each characteristic frequency. OK. This frequency is proportional to total energy of this state and total energy of this state. If m₁ and m₂ is small, then you can make this approximation. OK. So E₁-E₂ Which is proportional to the frequency difference of these two states is equal to using this equation is proportional to this and you can call it Δm² , that is m² difference between the two states. OK. Now, you have one parameter here and another parameter here. By using these two parameters you can discribe the oscillation of neutrino from one type to the other type.

ニュートリノ振動のお話は、この講演の中で難しい部分かもしれません。大学一年生にもわかるように話そうと思いますが、もう少し難しくなってしまうかもしれません。単純化するために、2種類のニュートリノしかないと仮定しましょう。ニュートリノの状態を表す波動関数は2つの独立した基底状態の関数で表せます。例えば、質量の基底状態を対角にとり、m₁、m₂とします。そうすると、すべてのニュートリノの状態が、Ψ_m1とΨ_m2の重ねあわせで表せることになります。二次元平面のように、ベクトルはX座標、Y座標で表せます。いいですね。さて、このミュー粒子は弱い相互作用でできていて、m₁とm₂のある重ねあわせになっています。Ψ_m1、Ψ_m2はそれぞれの振動数を持ちます。この振動数は状態の全エネルギーに比例します。もし、m1とm2が小さければ、この概算を使うことができます。2 いいですね。なので、これらの2つの状態の振動数の差に比例するE₁-E₂は、同じ式を使うことができ(？)、これに比例するものを△m²と呼びます。△m²は2つの基底状態のm²の差を表します。さあ、これで2つのパラメーターが得られました。この2つのパラメーターを使って、ニュートリノ振動をあるタイプから別のタイプに書き換えることができます。

This is a result of obtained by Kamiokande on atmospheric neutrino oscillation. This is allowed region.

(Next one)

これはカミオカンデで測定した大気ニュートリノ振動の結果です。これが、可能領域です。

Much bigger Super-Kamiokande accomplished. Establish the solar neutrino observation with much better statistics. I will show it to you later. Firmly established at more than 9σ the non-zero masses of neutrino's and their oscillations by observing atmospheric neutrinos. You can forget about this.

こちらは、カミオカンデよりかなり大きくなったスーパーカミオカンデで行われた、3つの成果です。まずは、太陽ニュートリノの観測をカミオカンデの時よりもさらに良い状態でできるようになりました。後でお見せしましょう。次に、大気ニュートリノの観測から、9シグマ以上の確率でニュートリノの質量がゼロでないことと、大気ニュートリノ振動を確証しました。今言ったことは、忘れてしまって結構です。

Now you can see the directional observation much better than in the case of old Kamiokande. It is isotropic background. You can see clearly the solar neutrino arrival direction. OK.

スーパーカミオカンデで観測した太陽ニュートリノの方向情報です、初代カミオカンデの観測結果よりもずっとよいでしょう。等方的なバックグラウンドがこちらに示されています。明確に太陽ニュートリノの到達方向が見えます。

The Sun as seen by ν's and its orbit in the Galactic coordinate. You have to excuse the poor angular resolution because the neutrino astrophysics is still in its infantile stage.

Since neutrino is much more penetrating than any radiation you can think of. When you have some trouble with your hand, one of your bone may be broken, you go to the doctor and get X-ray picture. And you can see inside of your hand which bone is broken and so far. When you use neutrinos with much larger penetrability, you can see inside of the sun. OK. This is the first neutrinograph rather than photograph of the sun. Ok

This is an orbital sun in the galactic coordinate. That sun is very nice but if you look at this thing carefully the size of the sun is much bigger than the size of the sun as you see by your own telescope. The reason is of course the neutrino angular directional accuracy is much worse than that of visible light. But you have to be patient. This neutrinoastrophysics is just born. It is still in its infantile stage.

ニュートリノは考えられるいかなる放射よりも透過性がいいのです。例えば手の骨が骨折した時には、病院にいってX線写真を撮るでしょう。すると、手の内側の、骨の折れた部分や何やらが見えます。同様に、非常に透過性の高いニュートリノを使うと、太陽の内部を見ることができるのです。これは世界初の太陽のニュートリノ写真です。こちらは銀河座標での太陽の軌道を表しています。いい写真でしょう？でも、よく見ると、望遠鏡で見た時の太陽よりも大きく写っているのです。その理由は、可視光を使ったときよりもニュートリノの角分解能がずっと悪いからです。でも、我慢してください。ニュートリノ天体物理学は生まれたばかりなのです。まだ、赤ん坊なのです。

Now, this is an observation of the solar neutrino energy spectrum as compared to the theoretically expected. The detail comparison of this observed energy spectrum with the theoretical expectation gives us better information on the solar neutrino oscillation.

これは太陽ニュートリノのエネルギー分布の理論値と実測値を比べたものです。細部を比較することで、太陽ニュートリノ振動のより良い情報を与えてくれます。

This, by the way, is the observation of atmospheric neutrino by Super-Kamiokande. If that anomaly in the ν_μ / ν_e number ratio is indeed due to the neutrino oscillation, then the amount of oscillated neutrino would be different depending on the pass length of neutrino from its generation to our detector. When it comes from top, it is only 20 km. If it comes horizontally, it is although 1,000 km. If it comes from the bottom, it travels around 13,000km. So there is big difference in the pass length. You can see the one coming from bottom it is much less than the expected for non-oscillation case, while in the case of electron event you don't see the difference. Only in the case of muon you see this deficiency in the large distance direction.

これは、スーパーカミオカンデで観測した大気ニュートリノです。もし、ν_μ／ν_e の数の比の異常がニュートリノ振動によるものならば、ニュートリノの生成から検出されるまでに通った距離によって、ミューニュートリノの量が変化するはずです。もし、上から検出装置に入れば、その距離はたった20kmです。水平に入ったら1000kmに達します。底から入れば、距離は13000kmになります。通過距離は入る方向によって、これほど違うのです。電子ニュートリノでは期待値との違いが見られないのに対して、底から来たミューニュートリノは期待値よりずっと小さくなっています。長距離方向のミューニュートリノの場合のみ、このような減少が見られます。

This is the allowed region by Super-Kamiokande combined with the data of American-Canadian joint experiment in Canada SNO data. It leaves only two regions for the solar neutrino oscillation.

スーパーカミオカンデでの結果に、アメリカ、カナダの共同実験であるSNOの結果を取り入れたものです。2つの領域だけに太陽ニュートリノ振動が見られます。

Now next one shows only one possible oscillation region when you combine not only SNO and Supet-Kamiokande but also other radiochemical results. Then left only one possible solution for the oscillation.

SNOとカミオカンデのデータを結びつけるだけでなく、放射化学的な手法での結果も取り入れると、太陽ニュートリノ振動の可能な領域は1つだけになります。

Now, well, we can skip this.

このスライドは飛ばしましょう。

Now, for the sake of giving proper credit, I show this author list of supernova neutrino detection. You can see not only Japanese group but also Pensylvania group collaborated on at Kamiokande II.

超新星ニュートリノを検出したときの論文の著者リストを挙げます。日本人グループだけでなく、ペンシルバニア大のグループも共同研究しています。

Here is the author list of the oscillation paper.

And this is the author list of atmospheric neutrino paper and you can see many American collaborators.

こちらは大気ニュートリノの論文の著者リストです。アメリカ人の共同研究者の名前も見えます。

And this I show you is the newest result from Kamioka. Now in Kamioka there is the third generation experiment now working. This Kamland experiment is installed in the same cave as original Kamiokande and this one experiment uses liquid scintillator to measure antineutrinos, electron neutrinos, from the reactor about 200 km away. And this experiment published the first result on the two days ago. And I got this by e-mail. Now, it is measuring antineutrino flux and energy spectrum and at the distance here. And their result is shown here. And this is the region as I indicated for the solar neutrino oscillation in the previous slide. It fits very nice there. So this is a confirmation of neutrino oscillation not for the electron neutrino but for antielectronneutrino. The fact that it is giving the same oscillation parameters implied that the CPT theorem is not vaiorated. And these are the parameter numbers obtained from this point.

さあ、カミオカの最新データをお見せしましょう。カミオカでは第三世代“カムランド”の実験装置が稼動中です。カムランドは初代カミオカンデと同じ洞穴に設置されており、この実験では200km離れた場所にある反応炉から来た反ニュートリノ、電子ニュートリノを検出するために液体のシンチレーターを使っています。そして、この実験の最初の結果が2日前に出版されました。私はこれを電子メールで受け取りました。その論文の中には、反ニュートリノ・フラックス、エネルギー・スペクトル、方向の測定結果がかかれています。結果はこのとおりです。こちらは、前のスライドの中で示唆された太陽ニュートリノ振動の領域です。非常によく合っているでしょう。というわけで、これは電子ニュートリノだけでなく反電子ニュートリノのニュートリノ振動をも明確にしているのです。同じ振動変数であるということは、CPT理論は反証されなかったことを意味します。そして、これらは、この点で得られる振動変数です。

Now this is the author of this new result. The interesting thing is about two third of the collaborators are from the United States. Now you can see The Kamioka is now considered as a Mekka for neutrino research which pleases me very much.

そして、これが最新結果の著者リストです。共同研究者の3分の2がアメリカから来た研究者です。いまやカミオカはニュートリノ研究のメッカだとおわかりになるでしょう。私はこのことがとてもうれしいです。

Well, since there is still four minutes left, I tell you this. Just for fun of your people.

From the Δm2 obtained as I have shown you, we can get a possible mass spectra of elementary particles using thatis called see-saw mechanism. Which is to explain the smallness of neutrino as compared with other elementary particles.

(Can I have next one)

4分残っていますので、お楽しみ問題を出しましょう。

大気ニュートリノと太陽ニュートリノの観測結果と、非常に小さいニュートリノの質量を、重い右巻きニュートリノの存在によって説明付けたシーソーメカニズムと呼ばれる方法によって得られる、3種のニュートリノの質量スペクトルをここに表します。

You get this mass spectrum, this is a logarismic mass value, then, you can see the first family, second family and third family. When I get this, being experiment test, I want to have simpler scheme. I Iike to have the straight line. So, I change a mass level little bit only this much difference for the electrically charged particle make this straight line automatically neutrinos and heavy neutrinos become straight line. Now I am happy with this. So, somebody who are very good at mathematics may start THINKING ABOUT mathematical operator which convert from first family to second family and same operator changes second family to the third family and the the same operator changes third family back to the first one. That will be nice. But don't ask me the answer because I don't know.

Thank you very much for your patient.

これが質量スペクトルです。質量は対数表示になっています。3つのファミリーが見えるでしょう。実験によってこの結果が得られたとき、私は簡略化しようと思い、直線上に乗せようと思いました。荷電粒子に質量変化が起きたとすると、ニュートリノと重い右巻きニュートリノが自動的に直線上に乗りました。なかなかうまくいっているでしょう。

こうすると、第一ファミリーから第二ファミリーへ、第二ファミリーから第三ファミリーへ、第三ファミリーから第一ファミリーへと、同じ演算子Fで関係付けられています。こんな3乗すると1になるFを考えれば、3つのファミリーが統一的に上手く説明できそうです。数学の得意な方は、この演算子を考えてみてください。

けれど、どうか私に答えを聞かないでください。私も知らないのです。

ご静聴ありがとうございました。

Nobel Foundation (ノーベル財団)