Daya Bay

Daya Bayは中国南部の広東省で行われた原子炉実験であった。これは2012年にニュートリノ振動の最後の未知の混合角を決定し、それによってCP対称性の破れの探索への道を開いた。

欠けていた角

PMNS行列は三つの混合角を含む。そのうち二つは2000年前後に知られていた。太陽ニュートリノとKamLANDから得られたθ₁₂と、大気ニュートリノから得られたθ₂₃である。

三つめのθ₁₃は未知であり、ゼロである可能性もあった。

この数値には多くがかかっていた。 θ₁₃がゼロであったなら、レプトン部門でのCP対称性の破れはまったく測定できなかったはずである。対応する位相がどの観測量にも現れなくなるからである。宇宙がなぜ物質でできているのかという問いは、この道では答えられないままになっていたであろう。

以前の実験はθ₁₃に上からの制限を与えたにすぎなかった。すべての手がかりはそれが小さいことを示していた。問題は、小さいのかゼロなのかであった。

この場所には合わせて17.4 ギガワットの熱出力をもつ6基の原子炉があり、世界でもっとも強いニュートリノ源の一つである。

Daya Bayは、それぞれ20 トンのシンチレーターを収めた同一構造の検出器8台を、三つの地下ホールに配置した。原子炉に近いおよそ500 メートルの位置に二つ、そしておよそ1,650 メートルの遠いホールに一つである。

シンチレーターにはガドリニウムが加えられていた。この元素はとりわけ進んで中性子を捕獲し、その際に強い光信号を放つ。これにより二つの閃光による遅延同時計数がはるかに明瞭になる。

工夫は比較にある。近い検出器は原子炉が放出するものを測り、遠い検出器は到達するものを測る。

これにより最大の不確かさが消える。原子炉がどれだけの反ニュートリノを正確に放出するかは、燃料、燃焼度、そしてそれ自体が数パーセントの精度でしか知られていない核データに依存する。数パーセントの欠損が問題になる測定にとって、これは致命的であったはずである。

しかし8台の検出器はすべて同一構造であり、同じ製造ロットの同じシンチレーターで満たされていたため、これらの不確かさは比をとるとほぼ完全に相殺される。

検出器は運転中にホールのあいだで交換されさえした。装置に起因する差の最後の残りまで排除するためである。

2012年3月、共同研究グループはわずか55日の測定時間ののちに結果を示した。 θ₁₃はゼロとは異なり、その有意性は5標準偏差を超える。

しかもその値は多くの予想より大きかった。次世代の装置でCP対称性の破れを測定可能にするのに十分な大きさである。

数週間後、韓国のRENOとフランスのDouble Choozという実験がこの知見を確認した。 T2Kはその少し前に、ビーム中に電子ニュートリノが出現することを通じて、もう一方の側からの最初の手がかりを与えていた。

2020年12月に測定を終えるまでに、 Daya Bayはθ₁₃をおよそ3パーセントの精度で決定した。今日に至るまでもっとも精確な値である。

この結果がなければ、 Hyper-KamiokandeもDUNEも今日の設計では存在しなかったであろう。どちらもニュートリノと反ニュートリノのあいだの非対称性を測るためにつくられている。そしてそれがそもそも可能であることを示したのがDaya Bayである。

Daya Bay共同研究グループ: Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).
Daya Bay共同研究グループ: Precision Measurement of Reactor Antineutrino Oscillation at Kilometer-Scale Baselines, Physical Review Letters 130, 161802 (2023).