Borexino

Borexinoはイタリアのグランサッソ地下研究所にあった太陽ニュートリノの検出器である。 2007年から2021年まで稼働し、 それまで誰にもできなかったことを成し遂げた。 個々の太陽ニュートリノを実時間で、 しかも低エネルギーで測定することである。

それまで欠けていたもの

HomestakeやGALLEXのような放射化学的な実験は原子を数える。 それらは数週間にわたる総和を与えるだけで、 ニュートリノがいつ来たのか、 どのエネルギーをもっていたのか、 どの方向から来たのかについては何も語らない。

Super-Kamiokandeは方向と時刻を見るが、 チェレンコフ放射の光の収量が少ないため、 およそ5 メガ電子ボルトより下には届かない。

その両者のあいだには隙間が口を開けていた。 そしてこの隙間の中に、 全太陽ニュートリノの99パーセント以上がある。

シンチレーターによる道

Borexinoは、 1 メガ電子ボルトあたり数百個ではなくおよそ1万個の光子を与えるシンチレーターを用いた。 これにより検出閾値は数百キロ電子ボルトまで下がる。

その代償はこうである。 方向の情報が失われ、 バックグラウンドが支配的な問題となる。 これほど低いエネルギーでは、 信号は検出器自身の自然放射能の中に沈んでしまう。 どの物質も1グラムごとにウラン、 トリウム、 カリウムの痕跡を含んでいる。 日常では問題にならないが、 ここでは致命的である。

世界でもっとも清浄な場所

そのためBorexinoは、 それまで存在しなかった清浄さを実現しなければならなかった。 その構造は玉ねぎのようであった。 極薄のナイロンの膜に入った278 トンのシンチレーターがあり、 これを緩衝液、 2,000 本を超える光電子増倍管を備えた鋼球、 そして最後に水タンクが取り囲む。 その上には1,400 メートルの岩盤がある。

解析されたのはおよそ100 トンの最内部の領域だけであった。 外側の層はもっぱらそれを遮蔽するためにあった。

到達した清浄さは、 シンチレーターの10¹⁸ 個の原子に対してウラン原子およそ1個という水準である。 精製方法の開発には、 装置の建設よりも長い時間がかかった。

結果

その労力は報われた。 Borexinoは太陽のほぼすべてのニュートリノ源を次々に測定した。

2014年のppニュートリノの検出がもっとも美しい。 それは太陽がそのエネルギーの圧倒的に大部分を得ている反応そのものを直接に示す。 太陽が燃えているさまを見たのである。 しかも表面に達するまでに数万年かかる光ではなく、 いまこの瞬間の過程をである。

2020年のCNOの検出は、 ハンス・ベーテ（Hans Bethe）が1939年に開いた隙間を閉じた。 彼は恒星における核融合の二つの道を記述していた。 そのうち二つめは80年にわたって計算されるだけで、 見られたことは一度もなかった。 太陽ではその寄与はおよそ1パーセントにすぎないが、 より重い恒星ではこちらが優勢になる。

なおBorexinoは、 MSW効果が真空でのふるまいから物質中でのふるまいへ移り変わる遷移領域を測定し、 予言されていた曲線を確認した。

地球ニュートリノ

同じ装置でBorexinoは地球ニュートリノを検出した。 地球内部の放射性崩壊に由来する反ニュートリノである。 イタリアという立地はこの目的にとってKamLANDの日本の立地よりも有利である。 近くにある原子力発電所が少ないからである。

2020年の測定は今日に至るまでこの種のものとしてもっとも精確である。

その後

Borexinoは2021年に運転を停止した。 残ったのは技術である。 開発された精製方法は今日、 JUNOを支えている。 JUNOは20,000 トンのシンチレーターで、 70倍の体積において同じ清浄さを達成しなければならない。

関連項目

• 太陽ニュートリノ — 測定されたもの
• シンチレーター — 検出技術
• 地球ニュートリノ — 地球内部への視線
• JUNO — 規模における後継

出典

• Borexino共同研究グループ: Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun, Nature 512, 383 (2014).
• Borexino共同研究グループ: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).