東京大学宇宙線研究所長 梶田隆章教授 2015年ノーベル物理学賞受賞

回顧録

小柴昌俊「若き日の研究を振り返って: Kamiokande を始める迄(※1)」

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(※1)聞書き: 福來正孝、中畑雅行、2011 年5 月16 日於平成基礎科學財團。小柴先生は「心覚へ」を御自分用のノート(2009 年11 月21 日作成) として書かれてをりそれより年月次及び若干を追加した。尚最後には小柴先生に校正して頂いた。亦山田作衛氏にも目を通して頂いたが、其修正は脚註に記した。小柴先生の初期よりの重要な弟子の内存命されてゐるのは山田氏だけで須田英博(1993)、折戸周治(2000)、戸塚洋二(2008) と既に鬼籍に入られて了ってゐるのは残念である。

小柴昌俊

 一高東大かつて言はれたがもう少し逆上って話を初めると(※2)、高等學校一年の八月に敗戰となった。親父は中國で捕虜となって收入が跡絶へた。親父は元々陸軍の職業軍人(陸軍大佐)だ。それで一家五人の飯代を稼がにゃならんと云う事 になってアルバイトに精を出したのだ。

(※2)1926 年9 月19 日豊橋生。1945 年4 月一高理甲入学

一高の理甲は190 人位居た。入学した時は成績は良かったのだがアルバイト許り遣ってゐたので、そのうちに眞中位迄落ちて了った。一高の校長は天野貞佑先生で親しい同業者(朝永三十郎)の息子さんだと云ふ朝永振一郎先生を紹介して呉れた。これがきっかけとなって朝永先生には大變お世話になり終生親しくお付合頂いた。

學生の半分は落第だ。物理と云ふのは難しくて成績が上から一割位でなけりゃ物理に行くのは無理だと言はれてゐた。私はその頃はドイツリートだとかドイツ文学に引かれてゐて獨逸語に凝ってゐたので獨逸文學なんかを将來に考へてゐた。卒業前の十二月に窓が破れて風の吹込んでゐる樣な風呂に入ってゐたら湯氣の中から物理の金原先生と元々一級上だが同級に落ちて來てゐた學生の声が聞こへてきた。「小柴は學校にも出て來ないが何處受ける氣だい」、「ドイツ文學かインド哲學でせう。間違っても物理には行かんでせう」と云ってゐたのだ。此頃はインド哲學抔は定員より應募者の方が少なくて無試驗入學だった。私はこれを聞いて 「カッ」となったのだ。入試迄一月位しかなかったが、寮の同室に朽津耕三と云うよく出來る學生がゐた(彼は後に東大の化學の教授になった)ので受驗勉強を彼に家庭教師して貰ったのだ。お蔭で試驗に受って物理學科に入った(1948 年4 月)。私はいろんなところで運に惠まれてゐるのだがこれがその最初だ。 

一年後に親父は復員してきたが元來職業軍人(当時は戸山学校剣道教官) で「公職追放」だから相変わらず收入はなく私は物理は勉強しないでアルバイト許り一所懸命やってゐた。いろんな事を遣った。進駐軍の荷上げ人足と云う樣なものもやった。 

その内大學の三年になったがこの頃は大學院の入試と云ふものは無かった。擔當の教官が宜しと云へばそれで入れた。一高の先輩の山内恭彦先生にお願ひしてみた。山内先生の他には落合麒一郎、小穴純(先生にはアルバイトの事などでお世話になった)、嵯峨根遼吉、桑原(光學)、坂井卓三、小谷正雄先生等が居られた。山内先生は物理數學の先生だが親分肌の人で私の願ひを承諾して呉れた(1951 年4月入学)。然し大學院には入ったが物理の何かテーマがあると云う訳ではなかった。山内先生に「お前學資はどうするか、スカラーシップがあるが」と聞かれたので是非とお願ひした。次の週に先生に會ふと「お前のお陰で恥をかいたぞ」と云はれた。成績の悪い小柴に奨學金をやるなんてと云う事であったらしい。其内に湯川奨學金と云ふのがあること事を知った。これは讀賣新聞の正力松太郎氏が資金を出して湯川先生が始めたもので月400 円を一年間4800 円程呉れた。この頃はこれ丈あれば何とか暮せたのだ。この奨學金を受ける條件は英文で論文を書き掲載が受理されてゐる事。そこで先輩の藤本陽一、福田博に相談した。此二人はどちらも東大の秀才だ。 

早川さんは宇宙線中のμ 粒子が地下でどうなるか考へてゐてμ − 核の断面積を必要としてゐた。福田博にはFeynman diagramの計算を教へて貰ったので、それでμ−核の相互作用をFeynman diagramで計算した。一週間程掛けて計算して持って行くと福田博に「違ってゐる」と云はれ、この樣な事を繰返したが、結局この仕事は福田、藤本、小柴で出てゐる(Nuclear interaction of μ meson)。お蔭で湯川奨學金は貰へたのだが、大半飲んじゃったのじゃないかな。 

此頃助手になってゐた藤本にCecil Powell が開發した原子核乾板が日本でも使へる樣になったので實驗を遣らんかと誘はれた。山内さんに相談すると應援して呉れて5 万円を都合して呉れた。此金はブラジルの日本人會が物理學會に寄贈したものゝ一部だ。それで物理教室に暗室を作ってIlford の乳劑を乾板に塗布して富士山頂で一ヶ月間露出した。Ilford とのコネクションはBristol に行った早川さんとその弟子の藤本さんを経由するものでnuclear emulsion は乳劑の形で入って來てゐた。富士山で露出した乾板を現像、定着、乾燥させて顯微鏡を覗いてstopped - μ-stopped - e の軌跡の長さを測って質量を導いた。これで俺でも何かやれさうだと云ふ感触を得た。このような感触と云うのは何か新しい仕事をする上で非常に大事な事だと思ふ。 

この頃武者修業と云ふのが流行ってゐて私も一月程大阪市大に行った。市大には南部、早川、山口、西島、中野とゐて先に宮澤さんが矢張武者修業に云ってゐたのだがM1 の學生ぐらいでは彼等の議論を聞いても分からなかった。もう少しnuclear emulsion を遣らうと思って藤本と相談したら、彼は本場に行かなきゃ東京等でやってゐても井の中の蛙で駄目だと云う。藤本は既にPh.Dを持ち助手になってゐたからいいが、此方はM1、M2 と云ったところでさう簡單には行かない。ところが此頃に湯川さん経由でMarshak がRochester で日本人學生を受入れてもよいと云ふ話があった。経緯はNew York でAPS の年會があり湯川さん(此頃Columbia 大に居た)とMarshak が一緒に昼飯を食った時、Marshak が云ふには「Rochester は一流と認められていないので優秀な學生が仲々來ない。それで印度から何人か學生を取ってゐるのだが、推選して呉れるなら日本人から三人程學生を受入れたい」との事であった由。 

Rochester は他の分野はいざ知らずnuclear emulsion に関してはKaplon と名は忘れたがもう少し年上の優秀な人が居りBristol に次いで世界で第二の場所と云ってもよかった。それで行き度いと思ふたが日本から三人と云ふ事で難しいと思ったので朝永先生に推薦状をお願ひした。すると先生は英語の推薦状を自分で書いて來いと云はれたので「此男は出來は良くないがそれ程馬鹿じゃない」などと書いて朝永先生のところに持って行ったのを覚へてゐる。 

兎角それで東大大學院を中退してRochester に行ったのだ(1953 年8 月)。月$120 呉れると云ふ事だったが一割は税金に取られ$108、そして室代が$35 で後はバス代と飯代で消へて仕舞った。その内$10 の中古車を買って乘ってゐた。これは後で$25 で賣った。PhDを取れば月$400 貰へるとの事で、何とか早くPhDを取らうとして結局1 年8ヶ月でPhD を取った(1951 年6 月)。博士論文は「宇宙線中の高エネルギー電磁相互作用現象」(注3)。

(※3)M. Koshiba and M.F. Kaplon, High Energy Electromagnetic Phenomena in Cosmic Radiation, Phys. Rev. 100, 327 (1955)

幸い此論文がMarcel Schein の目に留り彼がChicago に來ないかと声を掛けて呉れたのでresearch associate としてChicago に行った(1955 年7 月)。Schein のところで遣った仕事は北緯41°に於ける宇宙線の元素分析。宇宙線の元素存在量がCosmic abundance と違うところを二か所—CNO はその順番が違う、とFe が多いと云う事—見付けて宇宙線は超新星起源ではないかとコメントして置いた(※4)。此頃には早川さんは宇宙線超新星起源の樣だと考へてゐて彼の論文は出てゐたのだが、彼の目に留り「超新星起源説の支持は小柴が示してゐる」と書いて呉れた。

(※4)M. Koshiba, G. Schultz and M. Schein, The Charge Spectrum of the Cosmic Radiation at 41°N, Il Nuovo Cimento X9, 1 (1958)

此頃にはだんだん加速器實驗が盛んになる時代で加速器の實驗に誘はれた事もあるが私は餘り興味はなかった。加速器はエネルギーが低くて魅力がなかったのだ。此後核研に行く事になるのだが早川さんが支持して呉れたのではないかな。兎角この間核研から助手に來ないかと云はれ「今更助手では」と云ったら助教授で採用して呉れた(1958 年5 月)。核研の宇宙線部門(B部)で助教授に西村純さんが居た。核研では持って帰ったstack(Prince Albert Stack) の一次宇宙線の元素分析を遣ってゐたのだが、一年程してSchein から國際協力研究(International Cooperative Emulsion Flight: ICEF)を遣るので亦來んかと誘はれた。働いて呉れるなら日本は分擔金は出さなくともよいと云う事だった。 

核研での最高決定機關である運營委員の皆川理さん(神戸大)、中川重雄さん(立教大)も行って來いと賛成して呉れた。ところがChicago へ行って(1959 年11 月)半年經つ前に突然Schein が死んで仕舞った。Beppo Occhialini を呼んで前後策が檢討されたがその結果Occhialini の推薦で小柴がプロヂェクトの責任者(Acting Director) になる事になった。プロヂェクトと云ふのは45cm×60cm×500枚(30 糎厚)のpericle のブロックを氣球で上げようとするものだ。南CaliforniaのBrawley の空港から上げて(1961 年11 月) 36 時間程後にアメリカ大陸を横斷してSouth Carolina で回収する。30km 位迄上げたと思ふ。主要目的はhigh energy interaction のsecondary 迄見ようとしたのだ。この頃Lousiana State とTexas Stateからoffer があったのだがLousiana は鰐、Texas では蠍が出ると云うので辞退した。三年近く居て1962 年9 月、日本に帰ったが帰る時にpericle のstack を1/5 呉れた。此stack を核研に持って帰ったのだが宇宙線のボス連中がこのstack をバラバラにして持帰ろうとする。私はstack が大きい事に意味があるのでバラす事に大反對した。核研で一纏にしておいて集って解析したらよいのではと言ったのだが入れられず皆川理さん等のボス連と大喧嘩になった。特に運營委のメンバー達と喧嘩になったのだ。湯川記念館の地下にBrawley stack の解析センターを開くと云ふ話もあったのだが京大の若手研究者達の反対で挫折してしまった。核研の職は任期もあり身分が保証されてゐる譯ではない。亦アメリカに帰るかと思案してゐたのだが、此時物理教室で一人助教授を採ると云う話があった。私の論文は4 つか5つ位だし余り先生方の覚へもよいと思はれないから難しいと思ったが、兎角自薦で出してみたところ運良く小谷さんが採って呉れた(1963 年11 月)。

  私は小谷さんの覚が目出度かったとは思ってゐない。小谷さんは廊下で会っても口もきいて呉れなかった。朝永先生の小谷先生への口添へかあったのかも知れない。私の最終講義の時(1987 年2 月)小谷さんが私の妻に「小柴さんともう少し親しく、お付合しておけばよかった」と云ったらしいので矢張小谷さんの覚へは良くなかった樣だ。 

かうして1963 年11 月物理教室に移って1964 年1 月より助手に須田英博(神戸大卒)に來て貰った。須田はその頃理化學研究所に居たのだが上の人と折合ひが良くなくて困って居た。理研の鎌田甲一さん(一高の先輩)に須田の事で声を掛けられ採ったのだ。但しこの時須田は未だ博士號を持ってゐなかった。東大の助手は皆博士號を持ってゐたから例外を認めて呉れと言って採ったのだ。 

私のところの初めての學生が山田作衛、折戸周治(1964 年)。一年後に戸塚洋二が入る(※5)。折戸はcounter 實驗をやりたくて軈て藤井忠男さんのところに移り學位論文は藤井さんのところで出した。折戸はその後CERN のRubbia のところに行きそしてFrascati に行った。折戸が私の研究室に戻って來るのはJADE を遣った時(※6)。この頃物理教室で遣ったのは大学院入試の面接点を独立させる事と夏休に希望實驗を始る事を提案したことだ。 

Chicago から持って帰ったpericle の解析を遣ったのは山田と戸塚。山田の博士論文と戸塚の修士論文になってゐるが正式の論文としては出版されてゐない(※7)。山口さんにemulsion なんか今頃遣っても仕方がないと言はれたのだ。 

(※5)山田、折戸、戸塚は同學年であるが(折戸は學部は早稲田大學) 戸塚は学部3 年を2 年遣り、山 田、折戸より一學年遅れる(山田註)。

(※6)DASP の途中(1975 年4 月頃) であらう(山田註)

(※7)此れは山田の修士、博士論文、戸塚の修士論文、野崎忠男の修士、博士論文となった。山田の 修士論文の為の解析はS. Yamada & M. Koshiba, Systematic investigation of ultra-high energy interaction I, Phys. Rev 157, 1279 (1967) として出版されてゐる。野崎の修士論文の内容も出版 されてゐる筈だが未同定(山田註)。尚初期には折戸も解析に加わってゐた。

此頃emulsion に見切を付けて私もcounter を遣り始めた。streamer chamber を作って理學部四號館の圖書室の横に立てゝstreamer chamber を上に置いて後藤英一さんと一緒にquark とmagnetic monopole の探索を遣ったのだ。此を一所懸命 遣ったのは須田(※8)。 

戸塚には地下の觀測を遣らせた。核子の励起状態の二次粒子としてμ 粒子が澤山作られるかも知れないと考へたのだ。私はこのexcited state を密に“aleph” と呼んでゐた。三宅三郎さんにこの事を言うとμ 粒子の軌跡はせいぜい2 本だと言ふ。然しこれは三宅さんの檢出器が小さいせいではないのかと考へて、3m×3mの檢出器を神岡の栃洞坑を下りたところ(500m 深)に置いて一年觀測したら18 本のμ 束を示すイベントが見付かった。これが神岡での地下實驗の始まりだ(1968年8 月)。須田、戸塚、小柴で論文にしたが戸塚の學位論文になってゐる(※9)。

(※8)Y. Fukushima, T. Kifube, T. Kondo, M. Koshiba, Y. Naruse, T. Nishikawa, S. Orito, T. Suda, K. Tsunemoto, Y. Kimura, Search for Quarks, Phys. Rev. 178, 2058 (1969)

(※9)T. Suda, Y. Totsuka, M. Koshiba, Observation of Parallel Muons 1350 m.w.e. Underground, J. Phys. Soc. Japan 36, 351 (1974)

  Novosibirsk の話が始まったのは68 年頃。1968 年にMoscow での國際會議に出掛けて高エネルギー相互作用の總合報告を遣った。その時會議を聴いてゐた女性物理屋を介してBudker に紹介され、ホテルの食事に招待されそこでBudker が共同研究の可能性を云い出したのだ(68 年3 月)。彼は3GeV×3GeV のe+e− 衝突を遣らうとしてゐた。私はpp 衝突は複雑過ぎて何か起こってゐるのかよく分からないのでBudker の樣に簡單なe+e− 衝突をやりたかったのだ。

68 年の5 月には後藤、小林喜幸氏とNovosibirsk に出掛けた。帰国後茅誠司、植村甲午郎氏と会談(8 月) があって日本の産業としては原材料を必要としないコンピュータ特にソフトウエアが良いだらうと進言。この時三井金属社長を紹介された。これが1969 年より神岡鉱山で實驗を始る切掛けとなる。さっき話したμ 束の實驗だ。

東大に戻ってe+e− 衝突の事を話したら山口と宮澤に反對された。要するにe+e−はQEDで分り切ってゐるから遣っても仕方がないと云ふのだ。西島丈はこんな高いエネルギーの衝突では何か起こるか分からないから遣ってみる価値があると支持して呉れた。 

ソヴィエトアカデミーでも承認を得て(1970 年4 月)Novosibirsk で共同研究をやる準備を進めてゐたのだが、その内Budker が心臓麻痺になって仕舞いソヴィエトの計画は頓挫して仕舞った(※10)。此方の方も時間切れになるので西島と一緒にMoscow に行き共同研究打止めを通告した(72 年8 月)。 

それでも私はe+e− 衝突を遣りたかったのでCERN とDESY-DORIS を打診した。DESYはWolfgang Paul が所長、Erich Lohrmann がResearch Director を勤めてゐたがLohrmann はDASP を準備中のBjørn Wiik に紹介して呉れた。Wiik は私の共同研究提案を受入れて呉れたので此處に入った(DASP は1973 年4 月發足,1977 年8 月迄)。丁度J/ Ψの直前でJ/ Ψ の発見後、 Ψ′ とΨ の中間状態を探索する實驗が出來た(1975 年9 月)。 

DASP で日本のグループを取仕切ったのは須田、山田、戸塚の三人(※11 12)。折戸はAachen group からの參加で(※13)spark chamber を遣ってゐた。折戸は後にJADEを遣る時東大助教授となって日本側の責任者となって小柴グループに復帰する。 DASP で挙げた成果はその後のJADE(JApan-Deutschland-England;後にアメリカが入りA はAmerica となる)實驗(※14)の基礎を與える事になる。 

DASP はdouble arm で立體角が小さいが、JADE は4 detector なので飛躍的にevent rate を上げる事が出來る。JADE の分擔金として5 年分7 億6 千万を概算要求し、此は文部省で認可されたのだが總長特別補佐の久保さんに予算が大きいので山崎敏光に半分やれと言はれて大いに悩んだ(1977 年2 月)。此で胃潰瘍になって仕舞った。もう一つの問題は予算が大き過ぎて理學部經理に入れる事が出來ないと言はれた事だ。これは結局共同研究を理學部の枠外に置くと云ふ仕組を作って解決した。これが「理學部附属素粒子物理學國際協力施設(LICEPP)」である(※15)。これは後の素粒子物理國際センター(ICEPP)の前身である。此共同研究では私は直接働いてゐた譯ではないから論文にも名前を入れる積りはなかったが、折戸が「金の他にも、鉛硝子検出器は先生のアイデアですから名を入れておいて下さい」と云ふので最初の幾かの論文は私の名も入ってゐる。 

(※10)Gersh I. Budker の死去は1977 年4 月。

(※11)DASP は1972-77 年、JADE は1977-83 年で戸塚は1972 年12 月より山田、須田は1973 年11月よりDESY に行てゐる。DORIS のfirst event は1974 年である。1976 年よりはJADE の準備が始まってゐる。

(※12)代表的なものとして、JADE Collaboration, Obserevation of Planar Three Jet Events in e+e− Annihilation and Evidence for Gluon Bremsstrahlung, Phys. Lett. 91B, 142 (1980)

(※13)折戸はM¨unchen (MPI) group からの參加で、其の途中東大の助教授になってDASP に途中から参加してゐる(山田註)。

(※14)1976 年3 月Frascati のPETRA Meeting で提案

(※15)1977 年4 月発足。JADE は6 年間で15 億

  1978 年12 月になってKEK の菅原寛孝より電話があり陽子崩壊の實驗が考へられないかと云はれた。其で水と光電子増倍管(PMT)で檢出器を作る事を考へた。こうすれば安上りに出來るからだ。須田がdetail を詰めて圖にした。3000 トンの水に1000 本のPMT を用ひるものだ。渡辺靖志が高エネルギー研のGUT のWorkshop(1979 年2 月) に持って行って話した(※16)のだが渡辺の報告にはこの辺りの事情が正しく書かれてゐない。この計画は即認可され3 億6 千万の予算が付いた。  

Fred Reines と私は昔から考へ方が似たところがあるのだが、此頃Reines も同じ樣な事を考へてゐると云ふのが聞へて來た。彼のは7000 トンの水に5000 本のPMT を使ふと云ふものだ。PMT の面密度はどちらも一平米當り一ケと同じであり、これでは我々の實驗に勝目がないのははっきりしてゐる。税金を使って始から勝目のない競争をやる譯にはいかない。それでどうするかと云う事で大分悩んだのだがPMT の直径を大きくして集光力を上げてみてはと考へた。その頃入手可能なPMT は5 inch 径のものしか無かった。これ20 inch 径にしてはどうだろうと云ふのだ。但し値段は変へない。これを浜松テレビに作らせた。1979 年4 月に始めて1980 年2 月開發に成功した(※17)。 

(※16)Y. Watanabe, Proceedings of the Workshop on the Unified Theory and the Baryon Number in the Universe, National Laboratory for High Energy Physics, 13-14 February 1979, ed. O. Sawada & A. Sugamoto, KEK report 79-18 (1979)

(※17)鈴木厚人試験研究大口径高時間分解能、低雑音光電子増倍管の開発(科研費成果報告書1986)

  PMT が完成したら浜松は一ケ30 万円の値段を付けて來た。我々の方は當初の一本10 万円で予算を組んであるから変へる譯には行かない。製造材料をよく調べたところ13 万円くらいで出來てゐる筈なので一本13 万幾らかで納入させた。浜松の晝間輝夫社長には「あんたに騙された」と云はれたが今に至る迄親しく付合ってゐる。實際には此の大型PMT の製作は我々實驗グループと浜松テレビの共同開發なのだ。各カソードからの電子ビームを如何に効率良く受けるかというカソードの形状設計、その他beam test をKEK で我々が行ふ等我々のグループが相當寄與しているのだ。此PMT の開發プロヂェクトには新しくKEK より我グループの助手となった鈴木厚人と修士に入った許りの學生、有坂勝史を貼り付かせた。鈴木はKEKでは餘りhappy でなかった樣だがこのプロヂェクトを始めてから生き生きとしてゐた。Kamiokande は1983 年4 月末運転開始。

戸塚は始めKamiokande はやる氣がしないと言ってゐたのだ。彼はKEKで建設中のTRISTANの爲にwater ball 檢出器を作り度いと云って檢討してゐて提案した(1981 年11 月)のだが菅原さんに却下されて仕舞って腐ってゐた(1982 年7 月)。それで神岡に參加したのだがその後はよくやって呉れた。それで私が1987 年3 月退官する時戸塚をKamiokande の責任者にして東大をやめたのだ(※18 19)。

(※18)ICOBAN84(Park City, Maryland) ではKamiokande でのsolar neutrino feasibility experiment with Kamiokande とKamiokande detector を大きくする話を提案した(小柴先生は直前にインフルエンザに罹りAl Mann に頼んで発表して貰ったとの事である(「心覚え」)。前者が実現して報告が出されるのはK.S. Hirata et al (Kamiokande-II Collaboration) Observation of 8B Solar Neutrinos in the Kamiokande-II Detector, Phys. Rev. Lett. 63, 16 (1989)

(※19)Supernova neutrino の検出は此の一箇月前である。K.S. Hirata et al (Kamiokande-II Collaboration) Observation of a Neutrino Burst from the Supernova SN1987a, Phys. Rev. Lett. 58,1490 (1987)

はじめに / 小柴昌俊「若き日の研究を振り返って: Kamiokande を始める迄」 / 荒船次郎「宇宙線研究所とKamiokande」 / 中畑雅行「Kamiokandeの頃(1)」 / 梶田隆章「Kamiokandeの頃(2)」