地球ニュートリノ

地球ニュートリノは地球内部で生じる反ニュートリノである。それは岩石中のウラン、トリウム、カリウムの放射性崩壊に由来する—そしてそれは、いわば惑星の皮膚の下を見る唯一の知られた方法である。

それが答える問い

地球の内部は熱い。およそ47テラワットが絶えず表面を通って外へ流れ出ている— 人類の世界全体のエネルギー消費の2倍以上である。

この熱が、惑星を地質学的に生きたものにしているすべてを動かしている。プレートテクトニクス、火山活動、そして磁場を生み出して私たちを太陽風から守る地球ダイナモである。

それはどこから来るのか。考えられる源は二つある。一部は45億年前の惑星の形成に由来する残留熱である。もう一部は内部の放射性崩壊に由来する。

両者がどのように分かれるかは長らく分かっていなかった。掘削は数キロメートルの深さにしか達しない—世界で最も深い孔でも12キロメートルである。地震波は密度と状態を明かすが、化学組成は明かさない。

ウランやトリウムの崩壊はいずれも反ニュートリノを放出し、それらは妨げられることなく地球を離れる。その数は惑星におけるこれらの元素の量の直接の尺度であり— したがって地球の熱のうち放射起源の割合の尺度でもある。

一つの制約がこれに伴う。この方法が見るのはウランとトリウムだけである。カリウム40は熱に大きく寄与するものの、その反ニュートリノは1.8メガ電子ボルトという逆ベータ崩壊のエネルギーしきい値を下回り、したがって見えないままである。その寄与は引き続き計算によらねばならない。

方法は原子炉ニュートリノの場合と同じである。大きなシンチレーターの中での逆ベータ崩壊であり、陽電子の対消滅と中性子捕獲からなる二重信号によって認識される。

難しさは率にある。1000トンの検出器が登録する地球ニュートリノは、年あたり数十個である。近くの原子炉なら同じ量を1日でもたらす。

したがって二つのことが重要になる。きわめて清浄な検出器と、原子力発電所からできるかぎり遠い設置場所である。

日本のKamLANDは2005年に最初の兆候を報告した。日本は多くの原子炉を運転しているため、この場所は本来なら不利である。2011年以降それらが一時的に停止されたのち、測定条件は意図せず大きく改善した—科学の外の出来事から実験が恩恵を受けたまれな例である。

イタリアのBorexinoは背景の少ない環境で測定し、2020年にこれまでで最も精密な結果をもたらした。

測定によれば、地球の熱流のおよそ半分が放射性崩壊に由来する。もう半分は残留熱である。

これは、惑星を貫いて飛ぶ粒子から得られた、惑星の構造についての確かな言明である。それは地球形成の模型を絞り込む助けとなり— プレートテクトニクスがあとどれだけ駆動されるのかという問いにも答える。

その分布である。ウランとトリウムが主に地殻にあるのか、それともより深いマントルにもあるのかは、総数だけからは読み取れない。方向を定められる検出器があればそれは解決するであろう—しかし方向こそ、シンチレーターがもたらさないものである。

実行可能な道は、遠く離れた複数の場所での測定を通じる。大陸地殻の上の検出器は海の真ん中の検出器より多くの地球ニュートリノを見る。大陸地殻のほうがウランとトリウムに富むからである。そのような差から分布を推し量ることができる。

JUNOは20,000トンのシンチレーターによって、ここで新たな基準を打ち立てるであろう。

Borexinoコラボレーション：Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino, Physical Review D 101, 012009 (2020).
KamLANDコラボレーション：Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).