理科教育講座 物理学分野
福田 善之 (素粒子物理学、ニュートリノ物理学)
オフィス 1号館1階東
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 私たちの体や物質を構成している原子は、中心に正の電荷を持つ原子核があり、その周りを負の電荷を持つ電子が回っています。原子核は陽子や中性子からできています。この陽子や中性子はクォークやグルーオンという素粒子で構成されています。クォークに6種類あることやCPの破れという現象を理論的に予言した小林・益川理論が2008年のノーベル物理学賞を受賞しました。一方、電子やミューオン、ニュートリノはレプトンと呼ばれる素粒子です。このニュートリノは電気的に中性で重さもほとんどなく、私たちの体も地球も簡単に通り抜けてしまうため、観測することが非常に難しい素粒子です。しかし、カミオカンデという実験が1987年に超新星爆発によって放出されたニュートリノを発見し、さらに太陽内部の核融合反応で生成される太陽ニュートリノを直接観測することに成功したことから、2002年に小柴先生がノーベル物理学賞を受賞しました。
 カミオカンデの成功を受けて、1996年から スーパーカミオカンデ(以下Super-K)実験 が開始しました。 Super-Kは大気ニュートリノの観測データから1998年にミューニュートリノがタウニュートリノに変化するニュートリノ振動の証拠を得ており、ニュートリノに質量があるという素粒子の標準理論を超えた結果を世界で初めて発表しました。さらに、2001年には太陽(電子)ニュートリノもミューニュートリノへ振動している証拠を、カナダのSNOという実験とともに得ました。まさに、ノーベル賞級の発見が次々となされています。
 福田研究室では、Super-Kで観測した太陽ニュートリノのデータを解析し、地球物質によるニュートリノ振動の効果(昼夜効果:ミューニュートリノから電子ニュートリノに再度振動する効果)の研究を行うと同時に、超新星爆発にともなうニュートリノバーストの観測を行っています。一方、大気ニュートリノ振動を検証するために高エネルギー加速器研究機構(つくば市)からニュートリノビームをSuper-Kに照射する実験( K2K実験 )にも参加し、2004年には99.999%の信頼度でミューニュートリノ振動が起きている確証を得ました。その結果を受けて、東海村にある J-PARCの50ギガ電子ボルトの陽子シンクロトンロン加速器からつくるニュートリノビームをSuper-Kに向けて照射するニュートリノ振動実験 T2K実験にも参加しています。 T2K実験では、2013年にミューニュートリノが電子ニュートリノに振動する第3のニュートリノ振動の証拠を得ました。さらに、暗黒物質の探索を行っている XMASS実験 や、ニュートリノ振動のCPの破れや質量階層、そして陽子崩壊の発見を目指す将来計画 ハイパーカミオカンデ にも参加しています。上記の実験への正式な参加は大学院生に限られますが、学部の学生の皆さんもデータ解析や計測機器の開発、実験装置の改修・エネルギー較正などで直接実験に貢献でき、その貴重な体験を活かして教員としての素養を高めることができる絶好の機会を得ることができます。
 一方、福田研究室では、独自の研究としてpp/7Be太陽ニュートリノの観測によるニュートリノ振動の精密測定と恒星進化の解明を行う低エネルギー太陽ニュートリノ観測実験 (Indium Project on Neutrino Observation for Solar interior : IPNOS実験) のためのInP半導体検出器の開発や、ジルコニウム96を用いたニュートリノの放出を伴わない2重ベータ崩壊によるニュートリノ質量の観測を目指す新しい実験(ZIrconium Complex in Organic liquid Scintillator for double beta decay experiment : ZICOS実験)のための液体シンチレータの開発を行っています。特に、ジルコニウム96を2重ベータ崩壊のターゲット原子核として採用しているのは、世界中でも福田研究室だけです。これらの開発を通して、皆さんのアイデアを積極的に活かし、その成果を世界に発表するチャンスがいっぱいあります。
 更に、福田研究室では、学習指導要領の改訂にともない中学校理科第1分野(物理・化学)に関わる学習内容に放射線の単元が追加されたことに対応し、一般財団法人放射線利用振興協会と協力して、放射線教育のための教材開発も行っています。東日本大震災における福島第一原子力発電所の事故を教訓として、放射線に関する知識を正しく取得し、子供たちの安全を守る教員の育成を目指します。 学部学生の皆さんは、これらの研究を中心に卒業研究のテーマを選ぶことができます。

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