KamLAND

KamLAND——Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector——は、かつて検出器Kamiokandeが稼働していた日本の空洞に置かれている。 2002年に運転を開始し、ニュートリノ振動を最終的に確定させる知見を与えた。

構造

中心には極薄の合成樹脂の膜でできた風船が吊るされており、 1,000 トンのシンチレーターを収めている。これを緩衝液、 1,879 本の光電子増倍管を備えた鋼のタンク、そして最後に水の層が取り囲む。その上には1,000 メートルの岩盤がある。

反ニュートリノは逆ベータ崩壊によって検出される。コーワンとライネスが1956年に考案したのと同じ、二つの光の閃光による遅延同時計数を用いる。

この装置が既存の空洞につくられたことは、何年もの時間を節約した。 Kamiokandeは1996年にSuper-Kamiokandeに引き継がれ、空のままになっていたのである。

KamLANDの特徴はその源にある。検出器は一つの原子炉ではなく、 日本のすべての原子力発電所を利用する。建設当時でおよそ55基の原子炉が国内に分布しており、平均しておよそ180 キロメートル離れていた。

この距離が決定的な点であった。以前の原子炉実験は数百メートルから1 キロメートルの距離で行われ、何も見いださなかった。これに対し180 キロメートルは、太陽ニュートリノから推論された振動が働くはずの領域にちょうど当たる。

これによって、すべての太陽の測定が未解決のままにしていた問いに決着をつけられるようになった。すなわち、既知であり、その強度を計算でき、地上にある源についても同じ効果が現れるのか、という問いである。

2002年、 KamLANDは反ニュートリノが欠けていると報告した。期待される割合のおよそ40パーセントが到達しなかったのである。

それだけでは振動が必然的に確認されたわけではない。ほかの説明でも欠損は生じえたからである。途中でのニュートリノの崩壊、余剰の空間次元への逃避——どちらも真剣に検討されていた。

本当の成果は2年後に続いた。より多くのデータによって、どれだけ欠けているかを数えるだけでなく、 どのエネルギーで欠けているかも分かるようになった。

そしてそこに特徴的な形が現れた。スペクトルの中の谷、続く上昇、そして二つめの谷である。振動をエネルギーに対して描くとまさにこのように見える。確率が行き来して振動するのである。

ニュートリノの崩壊であればなめらかに下がるスペクトルになり、余剰次元への逃避であれば別の形になったはずである。波を生むのは振動だけである。

これによって太陽ニュートリノ問題の解釈が、太陽についてのいかなる仮定にもよらずに確認され、対応する質量差が数パーセントの精度で決定された。

2005年、 KamLANDは地球ニュートリノの最初の検出を報告した。地球のマントルと地殻におけるウランとトリウムの放射性崩壊に由来する反ニュートリノである。

日本という立地はこの目的にはそもそも不利である。多数の原子炉が強いバックグラウンドを生むからである。 2011年以降、日本のほぼすべての原子力発電所が停止したことで、条件は意図せず大きく改善した。実験が科学の外の出来事から利益を得たまれな事例である。

2011年以来、内部にはシンチレーターに溶かしたキセノン136を入れた、より小さな追加の風船が吊るされている。これによって共同研究グループはニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を探索している。これはニュートリノが自分自身の反粒子であることを示すはずの過程である。

その構成は注目すべきほど倹しい。新しい検出器をつくる代わりに、既存のものに体積の中の体積を加えるのである。またキセノンは取り出して再び充填でき、それによって改造が可能になる。

この崩壊は見つかっていない。半減期の下限は世界でもっとも厳しいものの一つである。

KamLAND共同研究グループ: First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
KamLAND共同研究グループ: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).