JUNO
JUNO——Jiangmen Underground Neutrino Observatory——は世界最大の液体シンチレーター検出器である。 中国南部の広東省の地下700 メートルにあり、 2025年8月26日に測定運転を開始した。
これによりJUNOは、 新世代の非常に大きなニュートリノ検出器のうち、 実際にデータを取得している最初の計画となった。
問い
ニュートリノが質量をもつことは1998年以来証明されている。 今日まで分かっていないのは、 その順序である。
ニュートリノ振動からは質量の二乗の差しか分からず、 質量そのものは分からない。 すべての測定と矛盾しない配置が二つある。 二つの状態が軽く一つが明らかに重いか——これが正常順序である——、 あるいはその逆に二つが重く一つが軽い逆順序である。
この問いは帳簿づけではない。 これには、 ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の探索がどれだけ有望か、 宇宙論がニュートリノ質量の和をどう位置づけるか、 標準模型を超えるどの模型がそもそも候補になるかがかかっている。
工夫——同じ距離にある二つの発電所
JUNOは台山と陽江という二つの原子力発電所から反ニュートリノを受け取る。 どちらもおよそ53 キロメートル離れており、 しかも意図的にほぼ正確に同じ距離にある。
その理由は計算上のものである。 この距離では波長の大きく異なる二つの振動が重なり合う。 遅いものと速いものである。 速いほうは到来する反ニュートリノのエネルギースペクトルに細かい波の構造を生み、 この波が正確にどこにあるかが質量の順序に依存する。
二つの発電所の距離が異なっていれば、 それぞれの模様が互いにずれて細かい構造がぼやけてしまう。 だからこそ同じ距離なのである。
なぜこれほど難しいのか
この波の構造を見えるようにするには、 この大きさの検出器がこれまで達成したことのないエネルギー分解能が必要である。 すなわち1 メガ電子ボルトでおよそ3パーセントである。 比較のために言えば、 以前のシンチレーター検出器は6から8パーセントであった。
分解能は、 1事象あたり何個の光子を捉えられるかに依存する。 そのためJUNOは三つのことを同時に限界まで押し進めている。
体積。直径35.4 メートルのアクリル球に20,000 トンのシンチレーターを収める。 これはこれまでに建造された最大の透明な容器である。
光の収量。直径半メートルの大型光電子増倍管がおよそ17,600 本、 これに小型のものがおよそ25,600 本加わる。 合わせて球面のほぼ80パーセントを覆っている。
清浄さ。シンチレーターはBorexinoのものと同じくらい清浄でなければならない。 しかも体積は70倍である。 そのための精製設備は専用に開発された。
JUNOがそのほかに測定するもの
この大きさの検出器が一つの問いのためだけに役立つということはない。
振動パラメータ。PMNS行列を記述する量のうち三つを、 JUNOは1パーセントより高い精度で決定するとされている。 これはこれまでのすべての測定を合わせたものより精確である。
地球ニュートリノ。大きな体積によって、 地球内部から来る反ニュートリノを初めて意味のある数だけ集められる。 これにより、 地球の熱のうちどれだけが放射性崩壊に由来するかについての言明が鋭くなる。
太陽ニュートリノ。ここでも体積が新しい基準を打ち立てる。
超新星。われわれの銀河系で星が爆発すれば、 共同研究グループは数秒のうちに数千の事象を予期している。 これはSN 1987Aのときの100倍以上である。
陽子崩壊。JUNOは、 Super-Kamiokandeのような水検出器では見えにくい崩壊様式に感度をもつ。
位置づけ
共同研究グループはおよそ20 か国の数百人の研究者からなり、 その中にはドイツ、 イタリア、 フランス、 ロシアの研究機関が含まれる。
JUNOで注目すべきは設計の的確さである。 検出器は一般に大きくつくられたのではなく、 一つの数値に向けてつくられている。 探している波の構造がもっともはっきり現れる53 キロメートルという距離である。 この大きさの装置がただ一つの距離にかかっているということは、 最初の鍬入れの前に背後の物理がどれほど正確に計算し尽くされていたかを示している。
関連項目
出典
- JUNO共同研究グループ: JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).
- Institute of High Energy Physics, 中国科学院: JUNO Completed Liquid Filling and Begins Data Taking, 2025年8月27日.