Sudbury Neutrino Observatory
Sudbury Neutrino Observatory（SNO）は、 オンタリオ州サドベリー近郊のニッケル鉱山の地下2 キロメートルにあったニュートリノ検出器である。 これは1968年から続いていた論争に2002年に決着をつけ、 アーサー・B・マクドナルド（Arthur B. McDonald）に2015年のノーベル賞をもたらした。
問い
Homestake実験以来、 期待される太陽ニュートリノの約3分の1しか到来しないことは確かであった。 その原因は不明であった。
説明は二つ考えられた。 太陽モデルが誤っているか——その場合は天体物理学に問題があることになる。 あるいはニュートリノが途中で変換するか——その場合は素粒子物理学に問題があることになる。
どの検出器も両者を区別できなかった。 というのも、 すべてが電子ニュートリノにしか反応しなかったからである。 弱まった太陽と変換したニュートリノは、 そのような装置では同じ像を与える。 すなわち事象が少なすぎるという像である。
解決策——重水
SNOはこれをある工夫で回避した。 検出器は直径12 メートルの透明なアクリル容器に重水1,000 トンを収め、 その周囲を9,600 本の光電子増倍管と普通の水の層が取り囲んでいた。
重水は重水素を含み、 重水素はニュートリノと三通りの反応をすることができる。
荷電カレント。重陽子を二つの陽子と一つの電子に分けられるのは電子ニュートリノだけである。 したがってこの反応は、 もとの種類を保ったままのニュートリノだけを数える。
中性カレント。どの種類のニュートリノも重陽子を陽子と中性子に分解できる。 この反応は種類によらずすべてのニュートリノを数える。
電子による弾性散乱。すべての種類が寄与するが、 電子ニュートリノの寄与は明らかに大きい。 この反応はさらに方向を与える。
最初の二つの数を比べれば、 問いには直ちに答えが出る。 しかも太陽モデルをまったく持ち出す必要がない。 この構成の巧みさはそこにある。 装置は比を測るのであり、 比は絶対値よりも頑健である。
重水1,000 トンをそもそも入手できたのは、 カナダ独自の事情のおかげである。 同国のCANDU型原子力発電所はこれを用いており、 国の原子力機関がその備蓄を貸し出した。 その価値は数億ドルに上った。
三つの測定段階
中性カレントは自由な中性子を生む。 そして中性子は見つけにくい。 SNOはこの問題に異なる手段で三度取り組み、 それによって検出を単一の方法から独立させた。
| 段階 | 期間 | 中性子の検出 |
|---|---|---|
| 純粋な重水 | 1999–2001 | 重水素での捕獲 |
| 塩の段階 | 2001–2003 | 食塩2 トンを添加、塩素での捕獲 |
| 計数管の段階 | 2004–2006 | ヘリウム3の比例計数管 |
三つの段階はすべて同じ結果に達した。 これは実験がめったに実現できない種類の検証である。
結果
荷電カレントを通じては期待される割合の約3分の1が得られた。 これはデイビス（Davis）が30年前に見いだしたのとまさに同じ欠損である。 中性カレントを通じては完全な割合が得られた。
これによって二つのことが同時に証明された。 太陽はジョン・バーコール（John Bahcall）が計算したとおりの数のニュートリノを放っている。 そしてそのうちの3分の2は途中でほかの種類に変換する。
決定的な論文は2002年6月に発表された。 三十年にわたって自らの計算を守り続けたバーコールは、 のちにその気持ちを、 三十年のあいだ地球が球形であると主張し続け、 そこへ誰かが世界一周航海から帰ってくるようなものだと言い表した。
なぜそれほど深くなければならなかったか
Creighton鉱山は検出器の上に2,092 メートルの岩盤をもち、 これは水にしておよそ6,000 メートルに相当する。 そうしてはじめて宇宙線ミューオンによるバックグラウンドを1日あたり数事象にまで抑えられた。
さらに、 執念に近い清浄さの要求があった。 アクリル容器の中の塵は1グラムでも、 その自然放射能によって中性子を生み、 中性カレントの信号をゆがめたはずである。 容器は地下でクリーンルーム条件のもとに組み立てられた。
その後
SNOは2006年に運転を停止した。 この施設は世界でもっとも深い地下実験室の一つであるSNOLABとなった。 そこでは今日、 ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を探索するSNO+が稼働しており、 そのほかに暗黒物質に関する複数の実験がある。
関連項目
- アーサー・B・マクドナルド — 責任者
- 太陽ニュートリノ問題 — 解かれた問い
- Homestake実験 — 出発点となった知見
- MSW効果 — 変換の説明
出典
- SNO共同研究グループ（Q. R. Ahmad ほか）: Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- SNO共同研究グループ: Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).