MINOS

組み立て中の、ミネソタ州スーダン鉱山にある MINOS 検出器。
組み立て中の、ミネソタ州スーダン鉱山にある MINOS 検出器。写真：ShakataGaNai, CC BY 3.0, Wikimedia Commons

MINOS——Main Injector Neutrino Oscillation Search——は、 シカゴ近郊のフェルミ研究所と、 ミネソタ州の閉鎖された鉄鉱山とのあいだで行われたニュートリノ実験であった。 2005年から2016年まで稼働し、 ニュートリノ振動を精密測定に変えた。

発見から測定へ

1998年、 Super-Kamiokandeはニュートリノが振動するという事実を示した。 源は大気ニュートリノであった。 これは無償だが制御できない。 その正確な数もスペクトルも、 それほどよくは分かっていないのである。

精確な測定には、 自分で手中にできる源が必要である。 まさにそのためにメルヴィン・シュワルツ（Melvin Schwartz）は1960年にニュートリノビームを考案した。 MINOSはそれを用いて、 定性的な知見を数値に変えた。

二つの検出器、一つのビーム

決定的な着想は二重の測定である。

フェルミ研究所ではNuMIビームがミューニュートリノをつくる。 陽子が黒鉛標的に当たり、 生じたパイ中間子が電磁ホーンで束ねられ、 675 メートルの区間で崩壊する。 980 トンの最初の検出器は、 起点からわずか1 キロメートルの空洞に置かれている。 振動が働くには近すぎる位置である。 つまりこれは送り出されたものを測る。

735 キロメートル先、 Soudan鉱山の地下705 メートルには、 5,400 トンの二つめの検出器があり、 到達するものを測る。

両方の測定を比べることが本来の工夫である。 ビームがどれだけ強かったか、 そのスペクトルがどのような形だったか、 検出器がどれだけよく応答するか——これらの不確かさはすべて両方の測定に同じように働き、 比をとると相殺される。 残るのは差であり、 それが振動である。

さらに両方の検出器は同一構造につくられ、 同じ鋼とシンチレーターの交互の層からなっていた。 これも系統誤差が互いに打ち消し合うようにするためである。

磁化された鋼

一つの特徴がMINOSをほかのすべてのニュートリノ検出器から区別していた。 鋼が磁化されていたのである。

磁場は荷電粒子の軌道を曲げ、 曲がる向きから電荷が読み取れる。 そのためMINOSはミューオンと反ミューオンを区別でき、 したがってニュートリノと反ニュートリノを区別できた。

これによって、 それまで誰にもできなかった検証が可能になった。 両者は同じように振動するのか。 差があればCPT対称性の破れの手がかりであり、 これは物理学のもっとも深い原理の一つである。 MINOSは差を見いださなかった。 測定精度の範囲内でニュートリノと反ニュートリノは同じようにふるまう。

結果

MINOSは質量二乗差Δm²₃₂を数パーセントの精度で決定した。 この数値は今日に至るまでニュートリノ物理学でもっともよく測定された量の一つである。

値そのものよりも重要だったのはその形である。 あるエネルギーのニュートリノがほかのものより強く欠けており、 しかもそれは振動が予言するとおりの形をしていた。 すなわちスペクトルの中の谷であり、 その位置はエネルギーと距離に依存する。

これによって競合する説明が排除された。 ニュートリノが単に崩壊したのだとしても、 あるいは余剰次元へ逃げ出したのだとしても（どちらも真剣に検討されていた）、 スペクトルは別の姿になっていたはずである。

速度に関する副次的な結果

MINOSは、 自らのニュートリノが735 キロメートルをどれだけ速く進むかも測定し、 その結果は光速と矛盾しないことを見いだした。 同じ問いは2011年にOPERA実験に一時的に世界的な見出しをもたらしたが、 そこでは時間測定に誤りが見つかった。

後継

2014年以来、 NOvAが同じビームラインを用いているが、 軸から14ミリラジアンずれた位置にあり、 ミネソタ州アッシュリバーに14,000 トンの検出器を置いている。 斜めの配置はより幅の狭いエネルギースペクトルを与える。 これは日本のT2Kも用いている同じ手法である。

同じ敷地における次の段階はDUNEであり、 距離は735 キロメートルではなく1,300 キロメートル、 鋼の代わりに液体アルゴンを用いる。

関連項目

出典

  • MINOS共同研究グループ: Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
  • MINOS共同研究グループ: Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).