KamLAND First Results Q&A

質問の答

Ｑ１：カムランド実験での最初の実験結果が発表されましたが一体何がわかったのですか？
Ａ１：	原子炉から飛んでくるニュートリノ（反電子型ニュートリノ）が予測される値にくらべて明らかに減っている事実を世界で初めて観測したことです。観測されたニュートリノ信号数は期待値の６割しかなく、９９.９５％の信頼度でニュートリノの欠損が確認されました。
Ｑ２：それはどんな意義を持つのですか？
Ａ２：	１）このニュートリノの欠損は、ニュートリノが飛んでいる間にニュートリノ固有の性質を示す未知の”何か”が起こっていることを示しています。
	２）最大の可能性はニュートリノが質量を持ち、別のニュートリノに変わってしまう現象（ニュートリノ振動）が起こっていることです。今後データーがたまり、エネルギースペクトルに振動特有のひずみが確認されれば、反電子型ニュートリノの振動現象を捕らえた世界初の快挙となります。
	３）このニュートリノ欠損がニュートリノ振動から来るとすると、振動パラメーターという異なるニュートリノの質量の違いと混合を表す量の範囲が決まります。それは太陽ニュートリノの観測で３０年以上も続いた”消えた太陽ニュートリノの謎”を解決に導く快挙です。
Ｑ３：ニュートリノの質量が何故そんなに大切なのですか？
Ａ３：	質量の起源を追求する事は、万物が何からできているか、物質の究極の姿を追求する素粒子物理学における最も重要なテーマです。ニュートリノの性質を解明することはこれに直結する鍵と考えられており、世界の第１線の研究者がこれに挑戦しています。
	なかでもニュートリノの質量は最も基本的な物理量であり、現在の理論では予測できないため実験で測るしかありません。カムランドの実験結果はその大きなテーマへ向かうひとつの扉を開いたといえます。
Ｑ４：ニュートリノの研究でどのようなことがわかるのですか？
Ａ４：	ニュートリノは自然界に大量に存在します。太陽ではたくさんのニュートリノがつくられ地球に飛んで来ます。その数は１cm²当たり毎秒６６０億個！もあります。また上空からは宇宙線でつくられたニュートリノも地上に降り注いでいます。原子力発電所でもニュートリノは大量に発生しています。さらに地球内部からもたくさんのニュートリノが放出されていると考えられています。広大な宇宙にはもっともっとたくさん存在します。
	ニュートリノの性質がわかればニュートリノが関与するさまざまな自然現象のしくみが解明されるでしょう。たとえばニュートリノの発生源である、地球、星、宇宙での発生のメカニズム、その誕生、歴史や、天体や宇宙スケールでの物質の分布なども探る有力な研究手段となることでしょう。
Ｑ５：スーパーカミオカンデでのニュートリノ質量の発見とどう関係あるのですか？
Ａ５：	ニュートリノには３種類（電子型、ミュー型、タウ型）が存在しますがスーパーカミカンデが捕らえたのはミュー型ニュートリノの振動現象でした。これは大気ニュートリノの観測でミュー型ニュートリノががタウ型ニュートリノに変身することを捕まえたもので、ニュートリノに質量があることを世界で初めて明らかにした大発見でした。
	カムランドの結果は原子炉で発生する反電子型ニュートリノについて振動を強く示す証拠を捕らえたものです。
	なお、現在つくば市にある高エネルギー加速器研究機構から２５０kmも離れたスーパーカミオカンデに向けてニュートリノビームを打ち込む実験が行なわれています。これは大気ニュートリノで捕らえたミュー型ニュートリノの振動現象を人工のニュートリノビームで検出することを目指して進められている実験です。
Ｑ６：太陽ニュートリノ問題とは何ですか？カムランドとどう関係があるのですか？
Ａ６：	太陽ニュートリノ問題とは、観測される太陽ニュートリノの数が予測の半分位しかなく、理論の間違いなのか、検出器に問題があるのか決着がつかず、長い間「消えた太陽ニュートリノの謎」として未解決だった問題です。
	研究が進むにつれ、理論も実験も間違いではなく、ニュートリノが検出にかかりにくい別の種類のニュートリノに変身する「ニュートリノ振動」が原因だと考えられるようになりました。しかし、それを実際に検出することは容易ではありませんでした。
	長い困難な歴史を経て、２００１年カナダのスノーという実験グループがついに振動の証拠を捕らえました。太陽ニュートリノは電子型ニュートリノとして発生します。彼らは電子型ニュートリノを識別できる反応と、ニュートリノの種類によらず起こる反応を使い、電子型ニュートリノは確かに減っているがニュートリノの総量は変わらないことを初めて示しました。ついに太陽ニュートリノ問題は電子ニュートリノの振動が原因であることが突き止められたのです。
	しかし、問題の完全な解決には一歩足りませんでした。振動を表すパラメーターの範囲がいくつかあり、スノー実験はこれをひとつに決定できなかったのです。
	カムランド実験の今回の成果は原子炉ニュートリノの検出です。原子炉では大量の反電子型ニュートリノが発生します。これは電子型ニュートリノの反粒子であり、反粒子であること以外は電子型ニュートリノと全く同じ物理法則に従います。したがってカムランドで振動パラメーターが求まると、その値はそのまま電子型ニュートリノに当てはまります。カムランドで観測されたニュートリノ欠損がニュートリノ振動によるものとして解析すると、太陽ニュートリノ問題の最も有力とされる範囲しか残らないことが確認されました。これは太陽ニュートリノ問題の解決を強く示唆するものです。
	原子炉ニュートリノを使ったニュートリノ振動の検出実験は２０年以上前からたくさんのグループで行なわれてきました。しかし、どれも検出に成功しませんでした。カムランドはこれまでにない高感度でこれに挑戦し、ニュートリノ振動の兆候である欠損を捕らえた世界初の実験です。今後さらにデータを蓄積して振動の確認と振動パラメーターの決定が行なわれる予定です。
Ｑ７：原子炉ニュートリノとはなんですか？
Ａ７：	原子力発電所にある原子炉の中では、ウランなどの原子核が核分裂反応を起こしており、その時発生する熱を利用して発電を行なっています。この核分裂反応の後、新しく出来る原子核は、不安定で、「ベータ崩壊」という崩壊を起こして、安定な原子核になって行きます。この崩壊に伴って反電子ニュートリノと呼ばれる素粒子が発生します。これが原子炉ニュートリノです。ニュートリノは、貫通力が極端に大きいため、山でも地球でも邪魔されずに飛んで行きます。カムランドでは、何百キロも離れた所にある原子炉から来る原子炉ニュートリノを検出しています。なお、ニュートリノは、反応する力が極端に弱いため、人体には全く害はありません。原子炉のすぐ隣(10m)にいても、ニュートリノによる影響は、自然放射能の１０万分の一以下です。
Ｑ８：たくさんの原子力発電所からのニュートリノをどうやって区別するのですか？
Ａ８：	区別する必要はありません。ニュートリノ振動はニュートリノが発生して飛ぶ間に変身する現象なので、これを捕まえるにはできるだけ遠くにまとまった強力なニュートリノ源があれば良いのです。カムランドからは平均して１８０kmのところに集中して原子力発電所が存在し、その熱出力は７０００万キロワットにのぼります。これは同じ出力の巨大な原子力発電所が１基１８０kmの距離にあるのと同じ条件です。個々の原子力発電所の情報からニュートリノの発生数がわかりカムランドで観測される数が予測できます。振動が起こるとニュートリノの観測数が減るだけでなくエネルギーの分布にも特有のひずみが現れることが予測されます。これと実験を比べるわけです。
Ｑ９：カムランドでの結果について、ニュートリノが途中で崩壊したとか、あるいは見えないタイプのニュートリノに変わったのではないのですか？
Ａ９：	これまでの実験でそれらはほぼ否定されています。たとえば太陽ニュートリノの振動現象をとらえたスノー実験や、大気ニュートリノの振動現象をとらえたスーパーカミオカンデ実験がそうであり、いずれもニュートリノの総量は変わらず、振動が起こっていることが確認されています。特にスノー実験で捕らえた太陽ニュートリノは電子型ニュートリノで、カムランドでの原子炉ニュートリノと互いに粒子・反粒子の関係にあり、全く物理法則に従うと考えられるため、ほぼ振動以外にはないといえます。逆にもし振動以外の原因があればこれは粒子と反粒子の予想外の違いを示すもので全く新たな現象を発見したことになります。いずれにせよ今後データが蓄積されニュートリノエネルギーのスペクトルの詳細な解析が可能となれば振動かどうか最終的な確認が期待されます。
Ｑ１０：ニュートリノに質量があるとどうしてニュートリノ振動が起こるのですか？
Ａ１０：	ニュートリノには電子型、ミュー型、タウ型の３種類がありますが、この呼び方は必ずしも対応する固有の質量があることを示すものではありません。つまりニュートリノの型と質量は同時に決まる必要はないのです。これは日常生活ではちょっと考えにくいことですが、素粒子の世界では起こり得ることなのです。
	もし型と質量の対応がずれていると、ある型のニュートリノは一般には質量の異なったニュートリノの重ね合わせの状態となります。ところが時間がたつと重なり方が変化するために別の型に変わることが可能になります。つまりニュートリノは飛んでいる間に別の型に変わってしまうのです。その起こり方は、質量の違いと重なり具合いによって決まるのでこれらを振動パラメーターと言います。これらはニュートリノの性質を表すとても重要な量ですが、予言できないため実験で決める以外に方法はありません。
Ｑ１１：カムランド実験のキーポイントは何ですか？
Ａ１１：	ニュートリノ振動現象は低いエネルギーで長い距離を飛ばすほど大きく現れます。原子炉ニュートリノは加速器でつくられるニュートリノに比べエネルギーがずっと低く、１００％反電子型ニュートリノであり、しかも発生数を正確に知ることができるので振動を調べるのにとても有利です。しかし振動の検出はそう簡単ではありません。そのポイントは、
	１）強力なニュートリノ発生源（原子炉）ができるだけ遠方にあること。
	２）ニュートリノを確実にキャッチできること。（できるだけ大型の検出器で、クリーンな環境で捕まえること。）の２点です。
	カムランド以前の最も感度の高い原子炉ニュートリノ実験は、熱出力が１０００万キロワットの原子力発電所から約１kmの距離で行なわれました。もしニュートリノ振動のパラメーターがスーパーカミオカンデで発見したミュー型ニュートリノの振動パラメーターと同じ程度なら、十分発見できたはずでしたが、数十倍感度が足りなかったのです。
	カムランド検出器からは、平均して１８０kmの所に、総出力で日本全体の原子力発電所の半分以上を占めるたくさんの原子力発電所が集中しています。そして膨大な数のニュートリノ（検出器の場所で１０００万個／cm²／s)が飛んできます。ニュートリノ振動が起こると観測されるニュートリノの数の減少とエネルギー分布の変化として現れます。カムランドはニュートリノ振動を観測するまさに理想的な位置にあるのです。
	原子炉ニュートリノ実験では反電子型ニュートリノを識別できる液体シンチレーターを使います。ニュートリノ反応はごくまれにしか起こらないので検出器は大型のものほど有利です。カムランドは１０００トンで世界最大の液体シンチレーター検出器です。年間約３００個のニュートリノ反応が予想され、以前の実験の１００倍以上の感度をもっています。
	検出されるニュートリノ反応はとても微弱であり、わずかの放射性不純物にも邪魔をされてしまうため検出器全体はとてもクリーンな環境に保つことがとても重要です。
	カムランド検出器は神岡の地下１０００メートルの岩盤空洞に建設され宇宙線による影響は地上の１０万分の１に押えられています。またカムランド液体シンチレーターは不純物がとても少なく、普通の生活環境での放射能レベルの１０００億分の１以下を達成しています。そしてニュートリノ反応による光は高性能の光電子増倍管でキャッチします。
	このようにカムランドは原子炉ニュートリノ振動実験に必要な数々の条件を見事にクリアーし、前人未踏の検出感度に到達し、原子炉ニュートリノ振動の兆候であるニュートリノ欠損の検出に世界で初めて成功しました。
	今後は原子炉ニュートリノの他、さらに低いエネルギーの地球ニュートリノや太陽ニュートリノに挑戦すべく、検出器の感度向上を目指す努力が続けられています。

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