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神岡町公民館で行われた一般講演会から学ぶ ハイパーカミオカンデの現在

6月28日、一般講演会「ハイパーカミオカンデと大規模地下空洞掘削工事」が神岡町公民館で開催されました。本体空洞工事がほぼ完了したことを記念して行われた見学会とセットで企画されたものです。講演者は神岡で工事を一から見守ってきた田中秀和先生。計画の概要から工事の詳細、苦労した点まで、教職員なら知っておきたいハイパーカミオカンデの現在を講演ダイジェストで紹介します。

田中秀和
宇宙線研究所
附属神岡宇宙素粒子研究施設 助教
田中秀和
HKの前は米国でニュートリノを研究していた田中先生。「土木の知識は全くなく、最適な掘削方法を工事開始までに1から学びました」
秋本祐希,ひっぐすたんのロゴ
講演会の司会を務めた秋本祐希さん(ひっぐすたん)。「HKちゃん成長日記」を連載中!
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/pr/
「ミテ ヨンデ カミオカンデ」と表示されたWebサイトのキャプチャー画面
神岡宇宙素粒子研究施設の入魂コンテンツ「ミテヨンデカミオカンデ」。人間が存在するのはニュートリノのおかげ…?
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/special/

スーパーカミオカンデの10倍

ハイパーカミオカンデ(HK)の現況と今後の展望について紹介します。HKは超純水を用いた水チェレンコフ検出器としては世界最大です。現行の最大器はスーパーカミオカンデ(SK)ですが、HKはSKの10倍の容積を持ち、SKの10年分のデータを1年で収集することができます。

飛驒市神岡町の山中にSKがあり、HKはそこから数km南に建設中です。初代のカミオカンデは直径19mで高さ16m。これで小柴昌俊先生がノーベル賞を受賞しました。SKは直径39mで高さ41m。これで梶田隆章先生がノーベル賞を受賞しました。HKは直径68mで高さ71m。この流れでいくと……期待してしまいますね。

日本はニュートリノ研究で世界をリードしてきました。HKはその流れをさらに加速させます。東京大学とKEK(高エネルギー加速器研究機構)が中核となるこの国際プロジェクトに、22か国から640人もの研究者が参加しています。7割以上は海外の研究者です。SKやHKの特徴は、多様な物理を一つの装置で研究できることです。こうした検出器は世界的に見て貴重です。

HKが目指しているのは、大きくいうと3つ。ニュートリノ振動の全容解明、陽子崩壊の探索、宇宙から飛来する宇宙ニュートリノの観測です。ここでは、ニュートリノ振動の全容解明について説明しましょう。簡単にいえば、これは宇宙に物質が残された謎に迫るということです。

138億年前のビッグバンで宇宙が始まり、誕生直後に粒子と反粒子が同数生成されたと考えられています。しかし、宇宙を見渡しても反粒子はほとんどありません。その原因を考えるには、ニュートリノの持つ未知の性質、つまり「CP対称性の破れ」というものが鍵になるかもしれません。それを調べるために行うのがニュートリノ振動の精密測定です。茨城県東海村にある加速器で作ったニュートリノビームを発射し、295km離れたHKで捉えて観測します。

幽霊のような素粒子ニュートリノを補足せよ

水槽の内壁には直径50cmの超感度新型光センサー2万本が設置されます。ニュートリノが飛来すると、ごくまれに水分子に当たり、電子が飛び出します。電荷を持つ素粒子が物質中を超高速で飛行する際に進行方向にリング状に発する微弱な光をチェレンコフ光と呼びます。このリングを捉えることで、ニュートリノの飛来方向、飛来時間、エネルギー、種類などがわかります。

HKは、①大規模地下空洞掘削、②超純水をためる水槽の建設、③光センサー設置、④超純水の注水、⑤観測開始と5つの段階を踏んで完成します。現在は①の最終段階。神岡鉱山の山頂から600m地下に69m×94mの空洞を掘削しています。人類が掘削した世界最大級の地下空洞です。掘削前には綿密な地質調査を行い、空洞の形状や支保の構成を検討しました。岩盤を繰り抜いて大量のボーリングコアを取り、強度や硬度を調べて掘削地の候補を絞りました。

着工は2021年5月。まず穴を掘る地点に行くためのアクセス坑道(2km)を作り、次に本体空洞につながるアプローチ坑道を作り、外周坑道、純水装置室などを設置するという手順です。坑道の掘削は、穴を掘り、火薬をつめて発破し、壁をコンクリートで固めてまた発破……の繰り返し。アクセス坑道の掘削は、長孔発破という特殊技術を用いて1日最大14mという高速ペースで進み、2022年2月に完了。続いてアプローチ坑道を掘削し、約1年でアクセス坑道とアプローチ坑道ができました。

200のモニターで変化を監視

本体空洞では、最初に天井のドーム部、その後に胴体の円筒部を掘削しました。火薬を用いた発破掘削で、空洞体積は合計33万㎥に及びます。これには情報化設計施工を採用しました。各種の岩盤モニター装置を設置して挙動を監視し、掘削で得られる最新の地質情報や岩盤のデータをもとに、支保設計や掘削手順を最適化しながら進めるやり方です。岩盤に25mの穴を掘り、約200の岩盤変位計などの計器を設置して監視しながら作業を進めました。

ドーム部については、アプローチ坑道から天頂部につながる螺旋状の坑道を掘削。その後、頂上部分を掘削し、リング状に6分割して外側に広げる作業に1年をかけました。一番上の第1リングでは直径16m高さ8mの空洞が、第2リングでは直径28mの空洞ができました。岩盤が崩れないようにする岩盤支保としてPSアンカーや吹き付けコンクリートやロックボルトを入れながら掘削を進めます。たとえば、撚り合わせた鋼線でできたPSアンカーを、ドリルで開けた穴に挿入し、さらにワイヤーに最大60トンの力をかけて岩盤を押しつけます。HKの空洞では2000本以上のPSアンカーが設置されています。難関と目されたドーム部の掘削は、2023年10月にほぼ予定通り完了しました。

円筒部では、まず直径3.4m×70mの立坑を掘削しました。上部で掘削した岩石を立坑で下ろし、底部のトンネルから25トンのダンプトラックで外へ運び出していきます。円筒部は上から下へ19段に分割し、4m程度の段(ベンチ)ごとに掘り下げていきます。円筒部の体積はドーム部の5.6倍もありますが、工期はドーム部と同じ1年でした。

想定外の補強工事を乗り越えて

工事はほぼ順調でしたが、第13ベンチの掘削中に試練が訪れました。岩盤の割れ目にそって変形が増加したことがわかり、岩盤背面の抜け落ちの可能性が生じたのです。外部専門家を交えて検討した結果、発生の可能性は非常に低かったものの、万一最悪の事態が発生しても安定性を確保できるようにするため、補強工事を決断しました。最大34mの足場を組んで90本の追加のPSアンカーを打設する工事です。2024年12月に工事を始め、その間はもちろん掘削工事は中断。再開は2025年1月でした。3月には底部のアプローチ坑道と本体空洞が貫通し、4月に本体空洞が底部に貫通、6月には空洞掘削がほぼ完了となりました。

この後は水槽の建設に移ります。2026年に光センサーの取り付けを行い、2027年には注水を開始。2028年度から観測開始となる予定です。地元の方をはじめ、多くの方のご支援をいただいているHK。今後もしっかりと工事を進めていきます。

ライトで照らされた円筒形のハイパーカミオカンデの天井部分
天井ドーム部。ひびのように見えるのが計測器の配線。
本体の空洞部分と底部アプローチ坑道の接続部分
一連の掘削工事で田中先生が一番印象的だったという底部アプローチ坑道と本体空洞の貫通の瞬間(講演スライドより)。
円筒形のハイパーカミオカンデを上部から見た様子
上から見た空洞。人の小ささがその大きさを語ります

会場との質疑応答より

小学生の「CP対称性の破れ」の問に先生が詰まる場面も。HKへの関心の高さが窺えました。

会場1●HKの総予算は?

「日本と海外の負担分をあわせて650億円程度です。そのうち日本負担分が500億円で残りを海外が分担しています(2019年時点)」

会場2●掘削で出るズリはどうしたの?

「本体だけでも33万㎥も出るズリの処理は重要な問題でしたが、神岡鉱業さんが一手にその処理を引き受けてくれました。鉱物採掘で培ってきたノウハウが活きています」

会場3●640人の研究者はどう棲み分けている?

「ニュートリノ一つ見ても、太陽由来、大気由来、加速器由来、超新星由来、暗黒物質由来とさまざま。エネルギーレンジもいろいろです。同じデータを使っても、どこに注目しどう使うかは研究者それぞれなんです」

会場4●粒子と反粒子の数の対称性の崩れで粒子だけ残った、とは? どうやって調べるの?

「ニュートリノ振動の確率は、東海村から届くニュートリノビームを調べることで出すことができます。そして、反ニュートリノのビームでも同じく確率を出すことができます。それらを比べて違いがあれば、ニュートリノと反ニュートリノの性質が違うといえるでしょう。たとえばそうした観測結果から、「CP対称性の破れ」の有無を論じていくことになります」

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応援部副将/文学部4年 及川涼世さん,少林寺拳法部主将/文学部4年 町田悠理菜さん,ラクロス部女子主将/文学部4年 吉野ひかりさん,総長 藤井輝夫,硬式野球部主務/文学部4年 奥畑ひかりさん,アメリカンフットボール部マーケティングスタッフ/法学部4年 苧谷優子さん,社会連携部 石岡吉泰(進行)運動部女子幹部学生×藤井輝夫 座談会録 総長と語る東大スポーツ

全面オンラインで行われたオープンキャンパス2025では、本部のオンデマンド企画として、運動会の5つの部を率いる女子幹部学生と総長が東大スポーツについて語るという座談会が行われました。いまだに「2割の壁」を抱える大学で、女子学生たちはどのようにスポーツと向き合っているのでしょうか。昔からウォータースポーツが好きで今も週末にプールに通っているという総長が迫ります。

水泳から潜水へと進んだ総長

藤井 私は中学と高校では水泳部で、大学ではダイビングのサークルにいました。高校時代はどのように過ごしましたか。東大を目指した理由も聞かせてください。

及川 私は中高と卓球部で、大学ではもっと全力で課外活動に取り組みたいと思っていました。東大を目指したのは、やるからには一番上を目指したかったから。全力で取り込むことを探していたとき、応援部の先輩に声をかけられました。応援のために全てを投げ打つ姿がかっこよくて、入部しました。女性リーダーはいなかったので、自分がやってやるとも思いました。

苧谷おたに 私は中高一貫校で6年間合唱部でした。部活は週4~5日。中学受験で悔しさを味わい、大学受験で雪辱をと東大を目指しました。浪人時代、予備校にアメフト部の先輩方が来た際、目が輝いていました。スタッフが選手と同じ目線で頑張っているのが素敵だと思って、入りました。この出会いがなければ入部しなかったと思います。

奥畑 中学ではテニス部、高校ではクイズ研究部でした。最初から野球部に関わりたいと思って東大を受けました。東京六大学という大舞台で、東大野球部初の女性主務として挑戦したかったんです。合格して1時間たたないうちに入部届を出しました。

町田 高校では吹奏楽部でした。週5~6日練習し、受験勉強は高3から。学生時代に東大少林寺拳法部に所属していた親から少林寺拳法部の話を聞いて自分もと思い、東大を受けました。入部の決め手は武道館で関東学生大会を見たこと。吹奏楽部出身の先輩の活躍を見て、決心しました。

吉野 中高の6年間はバスケ部で、週5回の部活の後に塾に行く日々でした。やりたいことが決められなかったので、進学選択の制度がある東大を選びました。新歓でラクロス部の先輩から熱く誘われ、その本気度に惚れて入部しました。

集客から広報、大会運営まで

藤井 普段の活動はどんな感じですか。

及川 応援部はリーダー、吹奏楽団、チアリーダーズに分かれ、普段は別々に練習しますが、応援の際は合同で活動します。入学式のような重要な場面で活動できるのが大変光栄です。

苧谷 私はマーケティングスタッフです。SNS発信、グッズ制作、地域のイベントの運営といった活動を通じて、試合にお客さんを呼びこむための活動を進めています。

奥畑 野球部の学生スタッフはマネージャー、コーチ、トレーナー、アナリストの4種。マネージャーはスコアラーや球場アナウンスを務めたり、大会運営や広報、会計、合宿の運営、練習試合相手の手配も行います。

町田 少林寺拳法部は全員が選手兼スタッフで、運営も競技も行います。5月の関東学生大会、11月の全日本学生大会が二大大会で、そこに向けて練習を行っています。

吉野 学生日本一に近づくためのミーティングを設計したり、「ファミリー制度」という学年を越える縦割り班を作って絆を深めたり、練習メニューを組んだり、ビデオを見て助言したりするのが幹部の役割です。スタッフは、日々のケアや怪我の管理を担うトレーナーと、用具設置からデータ分析まで行うマネージャーに分かれています。

野球は男がやるのが当たり前?

藤井 学生生活のなかで女子「2割の壁」を感じて困ったことなどはありますか。

奥畑 学生生活は問題なく送れていますが、野球は男子がやるのが当たり前という雰囲気を感じることはありました。

町田 女子部員が少ないと次の新歓で勧誘が難しくなります。女子の友達が欲しい1年生が離れてしまう。一方で、その分、固い絆になる面もあります。同じ代にいるもう一人の女子とは一生の仲になりそうです。

吉野 他大に比べると母数が小さいのは否めません。ただ、最近駒場にD&Iの科目ができたりトイレに生理用品が設置されたりといった取り組みが進んでおり、こうした施策を今後も進めてほしいです。

藤井 地域連携についても教えてください。

吉野 ラクロスだと中学・高校年代のチームが少なくて練習相手の確保に苦労するので、私たちが出向いて練習相手を務めています。一緒に練習した高校生が試合を観に来てくれるとうれしいですね。

町田 私たちも地域の道場で少林寺拳法を習う小中高生の合同練習会に参加して、受験の相談に乗ったりもしています。

奥畑 小学生向けには、「文京区ベースボールフェスタ」という野球教室とか、大学のグラウンドを開放する「あそび場」というイベントを行っています。中学生向けには、大会の際にグラウンドを貸し出しています。高校生向けには、スカウト活動とあわせて勉強会を開催することがあります。

地元の町会と夏祭りを共催

苧谷 文京区の小学校に赴いてフラッグフットボールを教えたり、近所の飲食店にポスターを貼ってもらったり、御殿下グラウンドでファン感謝祭をやったり。先日は赤門前町会とともに夏祭りも実施しました。

及川 毎年秋の「淡青祭」に、今年は文京区民を無料で招待しています。昨年は本富士警察署の交通安全パレードに参加しました。地元を応援して元気を届けています。

藤井 勉強と部活はどう両立していますか?

及川 私は東洋史学専修で学んでいます。史料を読むのが重要なので、部活の移動時間を使っています。部の運営業務も部員がやるので、時間の捻出は大変です。

苧谷 アメフト部の練習は夜が主なので、授業に出てから参加できます。普段の練習は週6日ですが、試験期間は練習日が減るのでしっかり勉強できます。

奥畑 私は恥ずかしながら部活に全振りの生活です。選手は午前練習と午後練習でチームを分けて学業と両立しています。スタッフもシフト制なので他の人は両立できていますが、自分は六大学の業務もあり……。

町田 テスト期間は自主練期間となるので、個々の事情に合わせて参加できます。普段も週3回の練習参加が必須である以外は自分で調整が可能です。

吉野 ラクロス部の練習は朝7時から。練習がない午後に勉強する人が多いです。私自身は、来年留学して勉強と卒論に1年間は集中しようと思っています。

藤井 スポーツには、自分でやるほか、観る、支える、作るなどさまざまな側面があります。スポーツとの多様な関わりということで紹介したいことはありますか。

奥畑 分析チームは、駒場の中澤公孝先生と連携して、選手の身体の動きや打球速度の計測・分析を行っています。

及川 多くの部をまとめる運動会総務部や学生支援課の体育チームは、大学ならではの存在です。こうした仕組みがあるからスポーツに打ち込めるのだと思います。

世界大会に通訳として貢献も

町田 主に集計という役割で、少林寺拳法の大会運営に関わっています。世界大会にスタッフを出して通訳の仕事で競技に貢献することもあります。

苧谷 アメフト部にも分析チームがいて、VRカメラを使った分析も進めています。最近、システムエンジニアのチームもできました。選手の筋トレを記録する独自アプリを作っているところです。

吉野 五月祭で試合をしたら、普段スポーツを観ない学生もよかったといってくれました。学内で試合をやるのはよいきっかけになると思いました。

藤井 大会運営からアプリ制作まで広がりのある活動をしていること、日頃から皆さんがスポーツに熱心に取り組んでいることがわかりました。打ち込める活動が東大にあることをもっと伝えたいですね。最後に高校生の皆さんに一言ずつお願いします。

及川 東大は何でもできる素敵な学校です。進学選択も部活もあるし、よければ学ランも着られますよ。

苧谷 ハードルをあまり高く設定しないでほしいんです。女子だから東大を目指さなくていいなんて偏見だと思います。

奥畑 勉強でも部活でも最高の環境が東大にはあります。最初は東大なんて夢でしたが、目標は少しずつ現実になるものです。

町田 東大でしかできないことがあり、東大でないと出会えない人がいます。私は毎日尊敬できる人と会えて刺激を受けています。高校生の皆さんもいかがですか?

吉野 東大には何かやりたいことができた際にまっすぐ進める人が多いと思います。そういう人たちと大学生活を送れたら、人生の素晴らしい期間になると思います。

藤井 東大には何かに打ち込む人がたくさんいて、何にでも打ち込める環境があります。ぜひ東大を目指してほしいですね。

総長、私たちの試合を応援に来てくださいねわかりました!
座談会は7月2日に安田講堂大会議室で行われました
「総長と語る東大スポーツの今~東大で広がるスポーツとの関わり方を在学女子学生と総長が語る~」と表示されたWebサイトのキャプチャー画面
オープンキャンパス2025の企画紹介画面。座談会の模様は8月5~6日にYouTubeで期間限定で公開されました。