東大、ハイパーカミオカンデ検出器建設に向け世界最大級の空洞掘削を開始

東京大学(東大) 宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究室は、ニュートリノ観測で2度のノーベル物理学賞に結びついたカミオカンデ実験シリーズの3代目となる「ハイパーカミオカンデ(HK)実験」の建設工事において、人工地下空洞として世界最大規模の大空間となる本体空洞の掘削を2022年11月に開始したことを発表した。

HK検出器の概観。(c)東大 ICCR 神岡宇宙素粒子研究施設(出所:東大 ICRR 神岡宇宙素粒子研究施設Webサイト)

HK実験は、世界最大の地下観測装置を用いて、ニュートリノの観測や陽子崩壊の探索を行い、宇宙の進化や素粒子の基本法則の解明を目指す、日本をホスト国とした国際共同プロジェクトだ。2020年2月に正式に計画がスタートし、世界約20か国から500名を超える研究者が参加しており、現在は2027年の装置完成と実験開始に向け、建設が進められている。なお、建設は鹿島建設などが担当している。

HK検出器は、岐阜県飛騨市神岡町の山の地下600mに設置される。検出器は円筒形の水タンクで、水の総質量は約26万t、そのうち観測に用いられる有効質量は約19万tと、現行のスーパーカミオカンデ(SK)の10倍規模になる(SKの総水量は約5万t・有効質量2万2500t)。タンクの壁には、SKの2倍の性能を持つ超高感度光センサが約4万本取り付けられる予定だ(SKは約1万3000本)。これによりHK検出器は、SK検出器の100年分のデータをおよそ10年で取得可能な性能を実現するという。

HK検出器が設置される本体空洞施設は、直径69m、高さ73mの円筒部とそれを支える高さ21mのドーム部からなり、地下の人工空洞としては世界最大規模になるとのこと(SKは直径39.3m・高さ41.4m)。ちなみに全長だけで見ると、HK検出器のすぐ近くで稼働を開始した大型低温重力波望遠鏡「KAGRA」の方が、3kmのトンネルが2本と圧倒的に長い。

今回のの本体空洞の掘削は前人未到の挑戦であり、さまざまな地質調査が2003年から行われてきたという。また、空洞掘削や検出器の設計・計画についても、現地の視察や相談を重ね、各方面の専門家との意見交換も行いながら、慎重に検討を進めてきたとする。

2020年度には、総長96mの新設調査坑道と総長725mのボーリングを用いて、建設地の岩盤の状態を詳しく確認する大規模な調査、トンネル坑口のヤード造成や配電、給排水設備設置などが行われた。そして本体空洞施設へ至るためのアクセストンネルの建設は2021年5月から開始された。