原子炉ニュートリノ

原子炉ニュートリノは原子炉の中で生じる反ニュートリノである。 それは人間がつくり出す最も強いニュートリノ源であり、 他のどの源よりも多くの知見を物理学にもたらしてきた。

どこから来るのか

核分裂では重い原子核が二つの中程度の重さの原子核に分かれる。 これらの破片は中性子が多すぎるため、一連のベータ崩壊を経て安定になる。 その崩壊のたびに反ニュートリノが一つ放出される。

一回の核分裂あたり平均しておよそ六つが生じる。 熱出力3ギガワットの商用原子炉はそれによって、毎秒およそ 6 × 10²⁰ 個の反ニュートリノを放出する— あらゆる方向へ、コンクリート、鋼、地層に妨げられることなくである。

エネルギーはおよそ8メガ電子ボルトまで及び、重心は数メガ電子ボルトのあたりにある。 ただし逆ベータ崩壊による検出で意味を持つのは、1.8メガ電子ボルトを超える部分だけである— それ以下では、陽子から中性子と陽電子をつくるにはエネルギーが足りない。 したがって見えるのはスペクトルの一部だけである。

なぜ原子炉はこれほど有用なのか

四つの性質がそれを理想的な源にしている。

強い。他のどの人工の過程も、 これほど狭い場所からこれほど多くのニュートリノをもたらさない。

純粋である。出てくるのは一種類だけ、すなわち電子反ニュートリノである。 したがって実験はそのうちどれだけが欠けているかを調べるだけでよく、 複数の種類を区別する必要がない。

計算できる。熱出力から核分裂の数が導かれ、そこから反ニュートリノの数が導かれる。

停止できる。定期検査の際には原子炉が止まり、実験は純粋な背景を測定する。 これ以上によい陰性対照はない—そしてまさにそれが1956年の最初のニュートリノ検出を説得的にした。

それによって何が測定されたか

注目すべきは距離の幅である。初期の実験は原子炉から数百メートルのところに置かれ、 何も見いださなかった—飛行距離が短すぎたのである。KamLANDは180キロメートルを用いて振動を見いだした。 Daya Bayはおよそ1.6キロメートルという、小さな角θ₁₃がその効果を最も強く発揮する距離をまさに選んだ。

距離の選択は原子炉実験における本来の設計判断である。

原子炉反ニュートリノ異常

2011年、期待される率の再計算により、測定値がそれをおよそ6パーセント下回ることが示された。 SAGEのガリウム異常と同様に、ステライルニュートリノが説明として検討された。

現在では、この偏差は新しい物理学よりも核データ表にあるとする見方が有力である。 一つの細部がそれを支持する。燃料の組成は一つのサイクルの間に変化し—ウラン235が消費され、 プルトニウム239が生じる—、両者は異なるスペクトルをもたらす。さまざまな燃料組成での測定は、 この偏差が主にウラン235にあることを示唆している。これは新しい粒子ではなく、 表の誤りに合致する。

この問題は最終的には解明されていない。

基礎研究を超えた応用

原子炉はそのニュートリノによって識別できる。その数とスペクトルは出力と燃料の組成を明かす— プルトニウムが生じているかどうかという問題もである。

そのため国際原子力機関は、原子炉の監視にニュートリノを用いるという構想を追求している。 そのような検出器は施設の外に設置でき、欺くことはできないであろう。 ニュートリノは遮蔽することも迂回させることもできないからである。

関連する項目

• 反ニュートリノ—原子炉が放出するもの
• KamLANDとDaya Bay—大きな測定
• 地球ニュートリノ—同じ検出技術、別の源
• CEνNS

出典

• KamLANDコラボレーション：First Results from KamLAND, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
• Daya Bayコラボレーション：Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).