Cowan-Reines実験

1956年、Savannah River の原子炉での実験の電子機器のかたわらに立つクライド・カワンとフレデリック・ライネス。
1956年、Savannah River の原子炉での実験の電子機器のかたわらに立つクライド・カワンとフレデリック・ライネス。写真：Savannah River Site, Public domain, Wikimedia Commons

Cowan-Reines実験は1956年に初めてニュートリノを検出した。 ヴォルフガング・パウリ（Wolfgang Pauli）がそれを提案し、 そしてそれが見つかることはあるまいと自ら疑ってから26年後のことである。

かかわった物理学者たちは、 自分たちの計画をProject Poltergeistと呼んだ。 姿を見せずに自らの存在を知らせる精霊にちなんだ名である。

最初の、退けられた着想

フレデリック・ライネス（Frederick Reines）とクライド・コーワン（Clyde Cowan）はロスアラモスで働いていた。 二人の最初の考えは、 当時としては自然でありながら大胆なものであった。 検出器を核兵器の爆発のかたわらの縦坑に置き、 巨大なニュートリノの閃光が通り過ぎるあいだの1秒の何分の一かで測定しようというのである。

この計画は放棄された。 実行できなかったからではなく、 より良い案が見つかったからである。 原子炉は反ニュートリノを継続的に供給し、 継続性は決定的なことを可能にする。 原子炉を停止して、 同じ装置で信号のない状態を測ることができるのである。

この陰性対照が、 結局のところこの実験のもっとも強い論拠であった。

検出の過程

用いられたのは逆ベータ崩壊である。 反ニュートリノが陽子に当たり、 そこから中性子と陽電子が生じる。

工夫は、 その際に二つの信号が相前後して生じる点にあった。

陽電子はただちに電子に出会って対消滅する。 その際にそれぞれ511 キロ電子ボルトの2個のガンマ線が生じ、 互いに反対の方向へ飛ぶ。 これが最初の閃光である。

一方、 中性子は数マイクロ秒のあいだ動き回り、 やがてカドミウム原子核に捕獲される。 この核もエネルギーをガンマ線として放出する。 これが二つめの閃光である。

正しい時間間隔で、 正しいエネルギーをもち、 正しい場所に現れる二つの閃光。 この兆候はほとんど取り違えようがなかった。 これは今日遅延同時計数と呼ばれ、 KamLANDからJUNOに至るまで、 今日のあらゆる原子炉測定を支えている。

装置

1953年にHanford原子炉で行われた最初の決着のつかない試みののち、 二人は1956年にサウスカロライナ州のSavannah River原子炉へ移った。 より良い遮蔽と、 より大きな装置を地下12 メートルに備えてのことである。

シンチレーターを入れた三つのタンクのあいだに、 それぞれおよそ200 リットルの水を入れた二つの容器が置かれ、 その水には塩化カドミウムが溶かされていた。 水が陽子を供給し、 カドミウムが中性子を捕らえた。 100本を超える光電子増倍管が、 それぞれのシンチレータータンクの中を見つめていた。

収量は1時間あたりおよそ3事象であった。

対照実験

この実験を説得力あるものにしたのは3事象そのものではなく、 そのかたわらで行われた検証であった。

停止。原子炉を止めると信号は消えた。

順序の逆転。二つの閃光の期待される順序を入れ替えると、 何も残らなかった。

カドミウムの除去。中性子の捕獲体がなければ二つめの信号は現れなかった。

これらの試験はいずれも結果を覆しうるものであった。 どれも覆さなかった。

なお、 測定された割合はニュートリノの断面積についての最初の実験値を与えた。 そしてそれは、 20年前にそこから検出は不可能だと結論したハンス・ベーテ（Hans Bethe）とルドルフ・パイエルス（Rudolf Peierls）の計算と一致した。

電報

1956年6月14日、 コーワンとライネスはチューリヒへ知らせを送った。 ニュートリノを明確に検出した、 という内容である。 パウリはその晩を友人たちとシャンパン1箱で過ごしたと言われる。 言い伝えによれば、 彼はそれ以前に、 それは決して成功しないという方に、 そのシャンパンを賭けていたという。

その後

ライネスは1995年にノーベル賞を受けた。 コーワンは1974年に死去しており、 この賞は死後には授与されない。 ライネスは生涯にわたって彼を対等の相棒として挙げ続け、 専門文献では今日に至るまでこの実験は二人の名で呼ばれている。

関連項目

出典

  • C. L. Cowan, F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, A. D. McGuire: Detection of the Free Neutrino: A Confirmation, Science 124, 103 (1956).
  • F. Reines: The neutrino: from poltergeist to particle, 1995年ノーベル講演。