ニュートリノはどうやって測ったか

質問

カミオカンデで重水中の浜松フォトニクス製光電増倍管１１０００本を使って水中の光の明滅からニュートリノを測ったとか聞いたのですが、電気信号の処理はどのようにやったのか、知りたいのです。
　チェレンコフ光から、その明るさ、時刻、位置、光の分布方向が観察可能だろうと思うのですが、何をどのくらいの精度で測ったのでしょう。５０ｃｍ径の光電増倍管の信号立ち上がりは１０マイクロセコンド、信号線の平均配線長１キロメートル、ナノセコンドの同時性校正の有効期間半日とみこんでいるのですが、どのくらいでしょう。それらを実験は評価されているでしょうか。校正周期は何か月に何度でしょうか。各光電管に対して電圧と反応速度は校正されているでしょうか。光電子増倍管は冷却装置がないと雑音だらけですが対策はどうしたのでしょうか。
　たとえば信号の同時着信を測るにあたっては、0.01ナノセコンドより短い時間分解能が必要かと思います。それを上記の性能ではとても満たせないのでカミオカンデの発表値は誤測定と思います。
　現状で一番早い現象は静電気の放電です。1nsの時間で１０ｋVの10％から90％まで立ち上がるが、人工発生源の信号では1メートルの信号線の長さで５Vの90％まで立ちあがるのに7ns達成するのがやっとというのが、観察の最高実力のはずです。

　というわけで疑いを持っています。もしやおとぎ話に聞いた透明洋服を着た裸の王様の民衆心理が世界中を支配してはいませんか。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri）

>光電子増倍管は冷却装置がないと
>雑音だらけですが対策はどうしたのでしょうか。

私は冷却して使ったことはありませんが、
必要なら冷却するのでは？

最近のは冷却器内蔵されてますよね？

お礼

ご回答ありがとう。そうあるべきですね。

回答No.3

中村 拓男（@tknakamuri）

うーん、相変わらず0.01nsの必要性が見えないですね。50cm玉に
見合った時間精度で十分だと思いますが。論文によると放射パターンと
光子の入射時刻で発光強度と位置の測定を行っているようです。時間がないので
深くは読めませんが。

これも人に聞いた話ですが、ゲインとタイミングのキャリブレーションは
システム化されていて、かなり頻繁に行われているようです(具体的な頻度は見つかりませんでした)。
参照光源を光らして相対ゲインや時刻のずれを記憶するそうです。
1個1個人間が調べてたらやってられないので、当然でしょうね。

お礼

ご回答ありがとう、輪の軌道上に、同じ瞬間に生まれでた信号から輪をつくり、輪の楕円を円に計算で修正し円の軸上にニュートリノの源の方向が見つけられます。雑音をさけて弁別した信号がほしいので、同時性は重要です。

回答No.2

中村 拓男（@tknakamuri）

う~ん説明がわかりませんね。
個々の光子の時刻測定を精密に行なう意味は？

放射の位置は放射パターンからもとめるのが
簡単だと思うけど? だとすれば個々の放射
を区別できるレベルで充分では？

50cm球で3mmの精度なんてでるわけないし
浜ホトの人にききましたが、カミオカンデでは
そもそも放射で光子がそんな頻度で発生しないので
原理的にそんな精度はありえないということでした。

原理的にできないものをだれも研究したりは
しないでしょう。想定で考えないで実際に何をやったのが
確かめるべきでしょう。論文読むとか。

お礼

ご回答ありがとう、輪の軌道上に、同じ瞬間に生まれでた信号から輪をつくり、輪の楕円を円に計算で修正し円の軸上にニュートリノの源の方向が見つけられます。雑音をさけて弁別した信号がほしいので、同時性は重要です。

補足

>個々の光子の時刻測定を精密に行なう意味は？放射の位置は放射パターンからもとめるのが簡単だと思うけど? だとすれば個々の放射を区別できるレベルで充分では？

　個々の放射が区別できません。
　チェレンコフ光は円錐底辺方向に円錐頂点位置の発光原点から指向性を持って出発し、投影形状がリングとなるそうです。
　チェレンコフ光の有無がニュートリノの判定基準とされているようですが、ただ受光面にリングが見えたからと言ってニュートリノが検出できたと考えるのはやみくもな方法です。

　なぜなら雑音が多数ある時、または多数のチェレンコフ現象が発生している時、それらを重ねて図に得た時、判断を誤るからです。
　たとえば、重なりから暗闇に亡霊の姿を見つけ出すように、ニュートリと無関係なリングの受光を図からみつけだすはずです。
　判断を正しくするために発光原点が同一、発光時点が同一、衝突量子の運動進行方向の同一な円錐曲線群が投影されたと判断できなければいけません。それがもし検出できれば、受光が同一のチェレンコフ現象から発生したことになります。そのチェレンコフ現象が、果たしてニュートリノ由来であるかは、それでもまだ確定できるわけでないのです。

　ここで円錐曲線群といったのは、放物線、双曲線、楕円、真円の曲線です。そういう円錐曲線群は円錐体を平面で切断したとき、平面と円錐体の交線に見いだせる曲線です。
　円錐体の頂点がチェレンコフ光の発生原点になり、量子の制動衝突のおきた場所です。でもニュートリノ由来であるとはまだ限りません。

　そして円錐曲線群がカミオカンデ円筒体に投影されたとき、受光面にリング図形などを形作ります。双曲線、放物線の判定を捨て、カミオカンデには受光面にリングが映るとされているようです。
　でも双曲線、放物線の受光があればそれは雑音となって判定を妨げる要素になります。

　投影比、ズームサイズにも注意を払うべきことを慎重に想像してください。発光が作った円錐体の大きさは極小からカミオカンデの円筒水槽をはるかに超え数1000、数万倍まであると想像してみましょう。それらの大きさでどういうサイズなら検知可能でしょうか。
　水面で発光開始したら水底でどのようなサイズでしょうか。水底近くで発光したらどのようなサイズでしょうか。想像してみてください。

　話を変えて、たとえば電卓や腕時計の数字表示機では７セグメント5×7＝３５のドットマトリクスでアラビア数字を表します。数字の0が３５ドットで描けるので、5×5＝25個のドットで丸があると認識できるはずです。
　1ドットがカミオカンデでは光電増倍管ＰＭＴ1本で対応するので、25個のPMT群で、直径２．５メートルの輪が認識できる性能があります。しかし最大輪サイズはカミオカンデ円筒水槽の直径までしか対応できません。2.5メートルの数十倍かもしれませんが2ケタ倍までのリングには対応できないと明らかです。

　それが受光できるためにチェレンコフ発光はカミオカンデの円筒水槽内のなかで限られた範囲内の容積中に発光原点となる円錐体頂点が存在しなければなりません。

　最大サイズの輪はさらに狭まった範囲になり、同軸中心上の水面から水底から2.5メートルの高さから、上方ですが、水面より上に発光原点がないと検出できないのではないでしょうか。
　いかに狭いか、チェレンコフ光もニュートリノ量子もそこを通る確率がいかに低いかわからぬでしょうか。

　ましてやその範囲から外れているチェレンコフ光はすべて雑音となります。輪でない、放物線や双曲線はすべて雑音の仲間です。

　もし水分が室内岩肌にあれば、また土中にあればそこから発光しているのかもしれません。外部に差引用受光器を置いて積分受光器に成果があった方法で外部光の差引をしても、単発現象には正しい差引はできません。

　さらに記念写真でカミオカンデの水槽を撮影するとブドウの房や茹でトウモロコシの姿を思わせる光電子増倍管の列が光輝いた鏡のように見えます。万華鏡のようです。

　あなたは万華鏡を覗いたことがあるでしょう。
　視野の中で色粒の本来の位置をあなたは判定できますか。見つけたら素晴らしい能力の持ち主です。色粒はカミオカンデではチェレンコフ光の光原点、円錐体の頂点です。結局頂点の位置は見つからないのです。
　ただし発光原点が同一、発光時点が同一、衝突量子の運動進行方向の同一な円錐曲線群が投影されたと判断できれば、ニュートリノ通過の確率に可能性がわずかに発生します。

>50cm球で3mmの精度なんてでるわけない・・

　同時性を知る、そのために連続観察が必要です。サンプリング速度0.01nsのとき光子の位置について3ｍｍの距離分解能ですが、もし3ns期間サンプリングを続けると1メートルの光子の飛行と受光までを横軸300点の時間波形にしてグラフが得られます。そのグラフ波形から各PMTの1本、1本の波形を比べると同時性がやっと判定できます。判定のために300サンプリングは最低線で、制動放射発生の瞬間を知るためには８００サンプリングは欲しいところです。

　1本のためにｐｓの速度で記録することになるのですが、1万本をまとめるにはそれより1万倍速いか、または同時性を確保した並列記録装置が必要です。

＞浜ホトの人にききましたが、カミオカンデではそもそも放射で光子がそんな頻度で発生しないので原理的にそんな精度はありえないということでした。

　身近に知り合いがいていい情報環境ですね。
　そのかたができないということは、誤測定だと吐露したに等しいのです。

＞原理的にできないものをだれも研究したりはしないでしょう。想定で考えないで実際に何をやったのが確かめるべきでしょう。論文読むとか。

　わたしは物理学者ではありません。子どもに教える様に疑問を溶かしてください。

　アンデルセンの裸の王様の登場人物でわたしに相当するのは「王様は裸だ」と叫んだ子供です。それが私の立場です。そういう質問コーナーです。

　論文を読むのは裸で王様を歩かせた大臣の役目ではありませんか。同じ日本の国から誤りを糺し、裸で行進させぬのが学者の役目です。もう行進してしまったなら、恥ですが、恥は時間を遅らせても大きさは変わらないのでほっときますか。すぐに糺せば、大臣の能力までは馬鹿にされないで済むと思います。

　論文を読めと言わずに子供に教えてくれませんか。

回答No.1

中村 拓男（@tknakamuri）

>１０マイクロセコンド

遅すぎですが、どこの製品ですか?
カミオカンデのは2nsくらいのはず。

浜松ホトニクスとかカタログを見る限り
10μsは異常です。

>0.01ナノセコンドより短い時間分解能が
>必要かと思います

何故？ 目的と根拠をよろしく。

お礼

ご回答ありがとう、輪の軌道上に、同じ瞬間に生まれでた信号から輪をつくり、輪の楕円を円に計算で修正し円の軸上にニュートリノの源の方向が見つけられます。雑音をさけて弁別した信号がほしいので、同時性は重要です。

補足

>カミオカンデのは2nsくらいのはず。

2nsでは交流でいうとＧＨz帯域以下の信号用機材ですね。50cmという大きさの割に反応が良すぎ。信じたとしてもよほど明るい時の性能でしょう。暗いともっと時間がかかるだろうし、暗さに戻って落ち着くまでの時間はもっと遅いでしょう。そして2nsでは次の理由でニュートリノの到来は分かりそうもありません。

　＞＞短い時間分解能が必要かと思います

＞何故？ 目的と根拠

　ニュートリノの到来を知るためです。
　大きな水槽の中で発光したとき、もし、どこで発光したか探し出すとしたら、同時に複数の光電管からの信号により、槽の中の発光点を探さねばならないでしょう。それには位置（空間）分解能がないとわかりません。
　水の中の光の進行速度は真空中の最高速度30万キロメートル毎秒より若干遅いはずですが、１ｍ進むのに3nsなのです。もし1メートルの距離を3nsの時間で光子が進行するなら、位置分解能に100cmを欲しい時、光電管の立ち上がりには3nsでは限界で、もっと早い立ち上がりでないと足りません。

　発光が、もし光輪のような指向性の形を持った特徴になり、反応した受光光電管の位置分布を知ってニュートリノの到来を判定するとしたら、位置分解能は大事です。

　そして、指向性を判定要素にするなら、信号の同時性が明確でないといけないでしょう。
　もし槽に入った途端に光が発生し通り抜けるまでひかり続けるとしたら、１０ｍの槽なら30nsひかり続けるでしょう。
　ほかの先生に頂いた見積もりを参考にすると、「チェレンコフ光が出るとPMTアレーにはリング状に光が受光されます。チェレンコフ光は粒子が水中にいる時間だけ出ます。直径約40mですから概略200nsecの光パルスです」
ということなら、PMT光電子増倍管の縦列は記念撮影に見える様に銀色の鏡の色をしたブドウの房や、銀色のゆでトウモロコシの様な姿であるから、槽全体が200nsec間もひかり続けます。鏡の部屋なので、万華鏡をのぞいたように、どこに発光点があるのかわからない状態です。すると遅い立ち上がり、遅い記録ではいったいどこから何が来たか、どっちに向いたか、どこに向けて拡がったか、分からない。ただ、槽が明るくなったくらいしか判定できなくなります。
　槽が明るくなったか知るには鏡面の槽とたった1本の遅い立ち上がりのPMTで測定が済むのです。それだけのために11000本光電子増倍管を使ったのでしょうか。
　どこからどのように広がったか知るために、１ｍ位置分解能でも3nsより高速で300倍くらいはいるでしょう。
　たとえば、サンプリングオシロスコープで横軸サンプリング300点でグラフを1画面に取れれば何とか姿がみえる。でも画像の信頼性を考えると800点くらいは欲しいところです。FFT周波数分析の経験からそのくらいの精度のグラフがほしいなと思うのです。

　記録するためには信号線の周波数特性も大事です。１ｍの距離を1GHzを伝えられる信号線はかなり優秀な信号線です。距離の離れた記録法では校正が大事になります。

　話を変えて、ニュートリノの受信は指向性の光輪がどこを発光点にするか不定な現象ではありませんか。

　チェレンコフ制動発光が強烈に起きたとしても、光輪面の全体が同時に発光するにはたぶん10の40乗個を超えた光子の数があるのではないですか。もしニュートリノ1対一の電子で光子がたった1個しか光らなかったら、どうでしょう。みてくれも光輪にはならないので、どこにあるのか発光点を特定できない。進行方向もわからず、ただの雑音の中に埋もれます。
　いったいＰＭＴに感じた光で何を判定し、どのようにみたのでしょう。円錐に拡がる光輪が起きるだろうという予測は甘すぎて、そういう円錐底面型の光輪は特定標的に衝突を繰り返させた、特別な条件下のチェレンコフ光でしかないのではありませんか。
　カミオカンデには常に多大な雑音が記録されたはずです。