理科教育講座　物理学分野
福田　善之　（素粒子物理学、宇宙線物理学、ニュートリノ物理学）
オフィス　1号館1階東
ホームページ　http://masamune.miyakyo-u.ac.jp

　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おり、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、特に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により、2002年に小柴先生がノーベル物理学賞を受賞しました。

　カミオカンデ実験の成功を受けて、1996年からスーパーカミオカンデ実験（以下SK）が開始しました。 SK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発見し、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とともに突き止めました。これらの成果は、2015年の梶田先生とマクドナルド先生のノーベル物理学賞受賞につながりました。

　福田研究室では、SKで観測した太陽ニュートリノのデータから地球物質によるニュートリノ振動による昼夜効果（ミューニュートリノから電子ニュートリノに再振動する効果)の研究や、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、東海村にある J-PARCの50GeV(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SKに向けて照射する長基線ニュートリノ振動実験T2Kにも参加しています。 T2K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発見し、現在反ミューニュートリノビームを用いてレプトンセクターにおけるCPの破れや質量階層問題の解決に取り組んでいます。更に、陽子崩壊の発見を目指すため、SKの約20倍の大きさをもつハイパーカミオカンデHK計画の予算が正式に認められ、2027年に実験開始を予定しています。これらの実験への正式な参加は大学院生に限られますが、学部学生の皆さんも計測機器の開発やエネルギー較正などで参加が可能で、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ます。

　一方、福田研究室では、研究室独自の研究としてニュートリノ振動の精密測定と恒星進化を解明するためpp/7Be太陽ニュートリノを観測する実験 (IPNOS) のためのInP半導体検出器やインジウムが溶解した液体シンチレータの開発や、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二重ベータ崩壊によりニュートリノの絶対質量を観測する実験(ZICOS)のための液体シンチレータの開発やチェレンコフ光を用いた背景事象除去ソフトウエアの開発を行っています。IPNOSはマクドナルド先生も注目しており、ZICOSはジルコニウム９６を二重ベータ崩壊の標的原子核として採用している世界で唯一の計画です。学部学生の皆さんは、これらの研究開発を通して、その成果を世界に発表できる機会があるかもしれません。それは、今後学び続ける優れた理科教員の素養を身につけることにつながります。