目的

概要

COBAND実験は，宇宙背景放射と同様に宇宙初期に生成され，宇宙空間に一様に存在すると予言されている「宇宙背景ニュートリノ」の崩壊探索を行う。標準宇宙理論では，宇宙背景ニュートリノは図1の宇宙図に示されるように，ビッグバンの１秒後に自由になり，現在の宇宙空間に1.9Kの温度で一様に1cm³あたり110個存在する。これは宇宙背景放射光子の温度と密度に近いが，自由になった時刻については，宇宙背景放射はビッグバンの30万年後なので，それにに比べてはるかに早い。宇宙背景放射はビッグバン宇宙初期を研究するために重要な役割を果たしているが，宇宙背景ニュートリノを発見することによって宇宙背景放射で理解できる時期よりもはるかに極初期の宇宙を研究する新しいプローブを得ることになり，大きく宇宙物理学を発展させることが期待される。

素粒子物理学において，ニュートリノ物理学は1998年のニュートリノ振動の発見以来，大きな発展を示している分野である。ニュートリノ振動の観測によって, 現在ニュートリノの質量が0でないことが示され, 3種類のニュートリノの質量の2乗差とニュートリノ混合角は高精度で測定されている。しかしニュートリノの質量自体は決定されていない。今後の素粒子物理学の発展にとって，ニュートリノの質量を測定することは非常に重要な課題である。ニュートリノの質量を測定するために，COBAND実験は宇宙背景ニュートリノの崩壊を探索する。重いニュートリノは軽いニュートリノに光子を伴って崩壊するが，この光子のエネルギーを測定することによって，重いニュートリノの質量を決定することができる。






図1．宇宙の歴史.宇宙背景ニュートリノはビッグバンの1秒後に自由になり、宇宙背景輻射はビッグバンの30万年後に自由になった。宇宙背景ニュートリノは未発見である。




実施計画

宇宙背景ニュートリノ崩壊時に発生する光子のエネルギー分布は図2のように高いエネルギー端にカットオフのある特徴的な形をしている。このカットオフはニュートリノの質量に依存しており，遠赤外線（Eγ〜数10meV）領域になる。COBAND実験では宇宙前景放射（主に黄道放射）が主なバックグラウンドとなるが，宇宙赤外線エネルギー分布を測定して，このカットオフを見つけることによって，宇宙背景ニュートリノ崩壊を検出する。






図2．宇宙赤外線エネルギー分布.COBE衛星とAKARI衛星による宇宙背景赤外線測定は，それぞれ4点のみある。質量50meV，寿命10¹⁴年のニュートリノの崩壊光エネルギー分布（赤い曲線）は24meVにカットオフがある。

現在のニュートリノの寿命の測定下限はCOBE衛星とAKARI衛星の宇宙背景遠赤外線測定結果から10¹²年であるが，Left-Right Symmetric Modelではニュートリノの寿命は最小でτ＝1.5x10¹⁷年と予言されている。COBAND実験では，この寿命のニュートリノ崩壊観測感度を実現することを目指す。最初に寿命感度10¹⁴年のロケット観測実験を行い，その後，寿命感度10¹⁷年の人工衛星観測実験を実施する。ロケット観測実験では，宇宙背景ニュートリノの崩壊からの光子を口径15cm・視野0.006度x0.05度の望遠鏡と赤外線検出器を搭載したロケットで200秒間観測することによって，寿命10¹⁴年の場合有意度5σで検出できる（図3)。衛星観測実験では,寿命10¹⁷年の場合，宇宙背景ニュートリノの崩壊からの光子を口径20cm・視野0.1度の望遠鏡と赤外線検出器を搭載した人工衛星で100日間観測することによって, 有意度5σで検出できる。








図3．ロケット実験のシミュレーション結果.　質量50meV，寿命10¹⁴年のニュートリノ崩壊光の波長分布の一例（上図)。バックグラウンド（黄道放射）＋ニュートリノ崩壊信号でシミュレーションを行い，最適化を行うことによって，黄道放射の寄与を引き去った分布である.このシミュレーション実験を寿命10点，質量6点について，それぞれ1000回ずつ行って，有意度5σで検出できる寿命とニュートリノ質量の関係(下図）を得た.

COBAND実験グループは，遠赤外線一光子ごとにエネルギーを2％以下の精度で測定する超伝導トンネル接合素子（STJ）赤外線検出器を開発している。この赤外線検出器として，NbとAlを超伝導素材とする多チャンネルSTJ検出器と分光素子を組み合わせた観測装置を開発している。Nb/Al-STJ検出器の構造は，2層のNb薄膜の間にAl薄膜層とAlOxの酸化絶縁膜が挟まれたNb/Al/AlOx/Al/Nbサンドウィッチ構造である。多チャンネルNb/Al-STJ検出器と分光素子を組み合わせた観測装置の設計・開発・製作を行っている。

以上のNb/Al-STJ開発・製作と並行して，将来の人工衛星搭載実験に向けたエネルギーギャップの極めて小さいハフニウムを用いたHf-STJについて衛星搭載実験用の光学系を含めた観測装置の開発研究を行っている。Hf-STJは1つのSTJでエネルギーを分光素子なしで2％以下の精度で測定できるので,視野角をより大きくとることができる。