カムランド実験のやさしい紹介 ~ニュートリノの謎に迫るカムランド実験~


准教授 白井淳平

カムランドって何ですか?

カムランドは液体シンチレーターという特殊な液体(不純物がほとんどない オイルの混合液体で無色透明です)を使った世界の最先端を行くニュートリノ検出実験です。遠く離れた原子炉から飛んでくるニュートリノや、地球内部から 来るニュートリノ、太陽からくるニュートリノなど自然界のあらゆるニュートリ ノを捕え、ニュートリノと自然の謎に迫る画期的な実験です。
カムランド実験グループは東北大学ニュートリノ科学研究センターが中心とな り米国からの多数の研究者の協力を得て総勢80名余りのスタッフ、研究者、 大学院生から構成されています。2002年1月から実験が始まり、24時間体制で ニュートリノの検出実験が続けられています。

実験はどこでやってるのですか?

カムランド検出器のある場所は岐阜県神岡町にある鉱山の地下1000メートルの岩盤空洞です。深い地下で行なうのは空から降り注ぐ宇宙線による影響を防ぐためです。ここは2002年度のノーベル物理学賞に輝いた東大の小柴昌俊先生がかってカミオカンデ 実験を行なった所であり、世界で初めて超新星爆発によるニュートリノが検出された所なのです。ニュートリノ質量の大発見がなされたスーパーカミオカンデはカムランドから歩いて5分の所にあります。

何を測るの、そして何がわかるの?

カムランドでは自然界に大量に存在するエネルギーの低いニュートリノを捕まえます。そしてニュートリノ固有の性質はもちろん、ニュートリノが関与するさまざまな自然のメカニズムを、詳しく調べるのです。なかでも反電子ニュートリノというある種のニュートリノを識別できる点で、他の実験ではちょっと真似のできない重要な特徴を持っています。以下にカムランドで行っている観測例を3つ挙げます。

原子力発電所から来るニュートリノの検出

カムランドの重要な目的の1つに原子力発電所から飛んでくるニュートリノの検出があります。原子力発電所ではウランなど核燃料物質を原子炉で核分裂させて
エネルギーを取り出していますが、同時に大量のニュートリノが発生します。ニュートリノはどんな物質も楽々と通り抜けるので100km以上遠く離れたカムランドでもニュートリノを捕まえることができます。

発生するニュートリノは反電子ニュートリノです。ニュートリノの量は発電量
から正確に知る事ができます。そこでカムランドまで飛んでくる間にニュートリノ
が別のニュートリノに変身する現象を測るのです。

この現象を「ニュートリノ振動」といい、ニュートリノの性質と深い関係があります。ニュートリノに質量があると、飛んでいる間に別の種類に変わってしまうのですが、さらに長く飛ぶとある確率でもとのニュートリノに戻ります。 このよう
に、変わり方が距離とともに周期的に起こるので「振動」と言うのです。

ニュートリノ振動は距離が遠いほど、そしてエネルギーが低いほど見えやすくな
ります。原子炉ニュートリノのエネルギーは充分に低くこれにとても適しています。 これまでアメリカ、旧ソ連、フランスなどで原子炉を使ったニュートリノ振動の研究が盛んに行われ、原子炉から1kmまで離れた検出器を使っての実験も行われましたが、いずれも「ニュートリノ振動」を観測するには至りませんでした。ニュートリノの質量があまりに小さく、もっと遠方で行う必要があったのです。しかしあまり遠方だとニュートリノの数が減ってしまい検出できません。

カムランド検出器のある神岡からは平均して175kmの所に、たくさんの原子力発電所が存在しています。その発電量は全国の原子力発電所の実に半分以上のエネルギーを生み出しており、カムランドでは1平方cm当たり毎秒100万個以上もの原子炉ニュートリノが飛んできます。このような場所は神岡のほかは世界中どこにもありません。神岡はまさに原子炉ニュートリノ実験にうってつけの場所なのです。

実験が始まってまもなくカムランドで原子炉ニュートリノが検出され、その年の暮れには観測数が期待される値の6割しかないことがわかりました。原子炉ニュートリノの振動現象が世界で初めて観測された瞬間でした。

こうしてカムランドでは原子炉ニュートリノによるニュートリノ振動の観測により、ニュートリノの質量と、種類の違うニュートリノとの関係(混じり具合)を、 最高感度で調べる研究が続いています。このためカムランドはニュートリノ研究の最先端を担う実験として開始以来世界の研究者の注目を浴びています。

地球ニュートリノの検出

我々の住む地球の内部はとても熱く、中心は6000度もの高温であると言われています。そして今も大量の熱が放出され、その量は大型の発電用原子炉1万台分を優に越えるほどです。この熱エネルギーは地球の長い歴史のなかでマ ントルを動かし大陸を移動させ、現在も地震や火山活動を引き起こす源となっています。一方で温泉の熱源としても我々の生活にも結び付いています。

この熱の半分近くが実はウラン、トリウムなど地球内部に大量に含まれる放射性元素が壊れて発生するのだと考えられています。もしこれが直接確かめられればこの地球の内部の姿をもっとよく知ることができるのですが、これはとても難しく今までだれもできませんでした。

しかしニュートリノを使えばこれが可能になるのです。ウランやトリウムが壊れてエネルギーを発生する過程にはベータ崩壊という、電子と反電子ニュートリノを発生する壊れ方が含まれています。したがって地球内部からは熱とともにたくさんのニュートリノが出ているのです。ニュートリノは地球さえも楽々と通り抜けるので、カムランドではこのニュートリノも捕まえることができます。

地球ニュートリノは原子炉ニュートリノよりさらに反応エネルギーが低いため、検出がとても難しく、これまで検出に挑戦した実験はありませんでした。カムランドは世界にさきがけて地球ニュートリノの観測に挑戦し、信号をとらえる事に見事に成功しました。2005年のことです。観測は今も続けられており、その成果は地球物理学の研究に大きく貢献しています。

太陽ニュートリノの検出

カムランドでは太陽から飛んで来るニュートリノ(「太陽ニュートリノ」といいま
す)の検出も行っています。太陽の中心部では水素の核融合反応によって膨大な熱が発生していますが、同時に大量のニュートリノも発生し、ほぼ光の速さで地球まで一気に飛んで来ます。その量は1平方cm当たり毎秒660億個もあります。私たちは 膨大なニュートリノの降り注ぐ中で生活しているのです。

太陽ニュートリノは、1960年代から観測が行われ、太陽の燃えるメカニズムが理解されるとともに、最近ではスーパーカミオカンデやカナダのグループによるリアルタイムの観測で、ニュートリノ振動の証拠も見つかりました。しかし水を使ったこれらの実験では、全体のわずか1万分の1に過ぎないエネルギーの高いニュートリノしか検出できませんでした。

カムランドでは強度がこの1000倍近くもあるもっと低いエネルギーのニュートリノの検出を行っています。太陽ニュートリノの検出は原子炉ニュートリノで用いられた検出反応が使えないため、液体シンチレータからさらに不純物を除去することが要求され、開発研究の結果、近年これに成功し、観測が続けられています。この観測ではニュートリノ振動の様子が異なるため、物質中を伝わるニュートリノの性質が明らかになるとともに、太陽の燃焼メカニズムや内部構造の研究がさらに進むことが期待されています。

スーパーカミオカンデと何が違うの?

ニュートリノは何でも容易に通り抜けてしまうので、そもそも検出はとても難しいんですが、エネルギーが低いと反応する確率がさらに小さくなり、信号も小さいため、検出はさらに難しくなります。

スーパーカミオカンデでは大量(5万トン!)の水を使い、ニュートリノの反応
で飛び出す、電子などの電荷を持った粒子が、水中を高速で走るときに出す微弱な光(チェレンコフ光と言います)を捕えます。しかし原子炉ニュートリノなどエネルギーがずっと低いニュートリノでは、チェレンコフ光は弱過ぎて検出が難しいうえに、水にわずかながら含まれている放射性不純物から生じる邪魔もの反応に覆いかくされてしまいニュートリノ反応を見ることはできません。

カムランドでは、水ではなく液体シンチレータを使います。これは精製されたオイルの混合物であり、無色透明です。ニュートリノ反応が起こると、シンチレーション光という、チェレンコフ光とは違う種類の光を出します。その光の量は水のざっと百倍もあります。また不純物が水に比べて桁違いに少ないので、邪魔もの反応 もごくわずかです。このため、ずっと低いエネルギーのニュートリノでもちゃんと捕まえることができます。

さらに、原子炉ニュートリノや地球ニュートリノなどは反電子ニュートリノといって液体シンチレータ中で特別な反応をします。これが邪魔もの反応とは全く違う見え方をするため、反電子ニュートリノをちゃんと捕らえる事ができるのです。水に比べて光の量が桁違いに多く、不純物の少ない液体シンチレータだからこそ威力を発揮できる反応なのです。またシンチレーション光は反応する粒子により光り方が違うので、これを使ってニュートリノ信号をより確実に検出することができます。

液体シンチレーターの原料となるオイルは国内で高品質のものが工業的に大量生産されており、安く手に入ります。このため大量の物質を必要とするニュートリノの検出実験にはもってこいの物質なのです。

このように液体シンチレーターは数々の優れた性質を持っています。これを 最大限に活用し、スーパーカミオカンデではできない低エネルギーニュートリノや反ニュートリノの検出を行なうことがカムランド実験の大きな特徴なのです。

ニュートリノの飛んでくる方向はわかるのですか?

残念ながら反応ごとのニュートリノの方向はわかりません。これはシンチレーション光がどの方向にも平等に出るためです。

しかし、カムランド実験ではニュートリノ反応のエネルギー、反応時間、反応粒子などの情報を反応ごとに精密に測定します。ニュートリノ発生源までの距離、ニュー トリノの種類、エネルギー、強度、それらの時間変化など発生源ごとの特徴的な情報と合わせることによりニュートリノを詳しく研究することができるのです。

なお、原子炉ニュートリノや地球ニュートリノのような反電子ニュートリノの検出反応では、時間をおいて複数の粒子が出るため、これを用いてニュートリノの飛んでくる方向がわかる可能性があります。現在カムランドグループではそのための開発研究を進めています。

検出器のしくみ、大きさなど教えて下さい。

図に検出器を示します。検出器は地下1000メートルにある直径20メートル、
高さ20メートルの岩盤空洞に設置されています。検出器の中心は直径18メートルのステンレス球形タンクに納められた液体シンチ レーターです。これは総重量が1000トンで、直径13メートルの薄い(135 ミクロン)透明な袋に入れられ、周囲を透明なオイルで取り囲まれています。カムランドは世界最大の液体シンチレータ検出器なのです。この中でニュートリノ反応が起こるとシンチレーション光が出ます。

液体シンチレーターの出す光は、バルーン、オイルを通り抜け、球形タンクの内面に取り付けられた1879本の光電子増倍管という、ガラス製の光センサーでキャッチします。光電子増倍管はこの光を電子に変換しさらに数百万倍の電気信号に増幅します。

光電子増倍管はカムランド用に開発された1325本の球(17インチ球)とカミオカンデ実験から譲り受けた554本の球(20インチ球)からなります。17インチ、20インチとは光を捕らえるガラスセンサーの直径のことです。17インチ球は外見はスーパーカミオカンデで使われている20インチ球と同じ大きさですが、時間分解能が2倍も優れた球で、ニュートリノ反応の位置や邪魔もの反応の除去に大きな威力を発揮します。

ステンレス球形タンクの外側は3200トンの純水で満たされ、225本の20インチ球(これもカミオカンデ実験から譲り受けたものです)が設置されています。これにより周りの岩盤からの環境放射能を遮蔽するとともに、岩盤を貫いてやってくる宇宙線ミュー粒子をキャッチします。

 

研究者、実験の進め方など実験の雰囲気について教えて下さい。

カムランド実験は、平成9年に戦略的研究拠点(COE)として認められ、東北大学ニュートリノ科学研究センターが中心となってスタートしました。当時活躍を終えたカミオカンデ検出器を東大より譲り受け、これを解体し全く新しい検出器として再生させたのです。建設が進む中、米国バークレイ国立研究所、スタンフォード大学、カリフォルニア工科大学など11の大学、研究所が加わり、カムランドグループは100名を越える研究者、大学院生の大グループになりました。地下での建設作業は日米一丸となって進められ、4年の建設期間を経て2001年春に検出器は完成し、液体シンチレーターとオイルの注入作業を経て、2002年1月22日、実験が始まりました。建設時の苦しい期間を日米力を合わせて乗り越えたグループの強く暖かい信頼関係は今も引き継がれており、実験を進めて行く上で大きな力となっています。現在のグループメンバーの数は約80名です。

ニュートリノの観測は休日なしの24時間連続運転で行われています。データ採取、検出器のチェックなど現場でのシフト業務はすべて日米のメンバーに平等に割り当てられています。現地のシフトは朝7時半に出発し地下実験室に入ります。検出器点検などの業務を終えると、地上の実験室から操作して観測を続けます。夕方から翌朝までは東北大学と米国の大学から交替して遠隔操作で行なっています。

ニュートリノ科学研究センターでは毎週2回、定例のテレビ会議が行われます。会議では神岡や米国の研究所からの回線も接続され、現地の状況報告やハードウェアーの研究、開発、データ解析の状況などあらゆる問題が報告され活発に議論されます。外国人も参加するので英語での話し合いとなります。

データの解析は日米双方で独立に進められ、半年に1度結果を持ち寄って議論するカムランドの全体会議が行われます。日本と米国で交互に開かれ、スタッフだけでなく大学院生も発表を行い、グループの運営やさまざまな問題点が議論され、方針が決定されます。

カムランド実験で何がわかったのか、そして今後どうなるのか教えて 下さい。

2002年1月にカムランド実験が始まると、ほどなく原子炉から
飛んでくるニュートリノが検出されました。さらにデータがたまるにつれ検出されたニュートリノの数が期待される数の約6割しかないことが明らかになりました。これは原子炉で発生した反電子ニュートリノが別の種類のニュートリノに変わる初めての証拠として世界中の注目を集めました。

原子炉ニュートリノは反電子ニュートリノとして発生します。一方、太陽ニュートリノは電子ニュートリノとして発生します。両者は互いに粒子と反粒子の関係にあり、物質と反物質の世界で同じ物理法則に従います。このため原子炉ニュートリノで観測された振動現象は、太陽ニュートリノでも同じ現象として現れることが期待されるのです。

太陽ニュートリノは1960年代後半からの観測以来、期待される数の半分程度しか検出されないことが大きな謎でした。実験、理論ともに誤りがないことが確かになるにつれ、ニュートリノが別の種類のニュートリノに変身するためではないか、さらにニュートリノに質量があることによる「ニュートリノ振動」のせいではないか、との説が提案されました。最近になってニュートリノの変身が正に真実であることが、カナダの実験やスーパーカミオカンデの実験により判明しました。

しかし、ニュートリノ振動はニュートリノの変身を説明する有力な考え方ではあってもこれが真実かどうかは実験で確かめるしかありません。さらにニュートリノ振動の起こり方は、ニュートリノの質量と他のニュートリノとの混じり具合で大きく変わります。当時の太陽ニュートリノ実験だけではこれらの疑問を完全に解決することは困難だったのです。

カムランド実験は原子炉ニュートリノを使った精密観測により、ニュートリノ振動がまさに起こっていることを明らかにしました。図にその結果を示します。反電子ニュートリノの検出数が周期的に変動する様子がはっきりとらえられています。カムランドの結果により「太陽ニュートリノの謎」は完全に解決されました。そしてニュートリノ振動を決定するニュートリノの質量と混じり具合の量が精密に決定されました。カムランドは地球内部から飛んでくるニュートリノの検出に世界で初めて挑戦しその兆候を捕らえました。図に示すのはカムランドの最近の結果で、反電子ニュートリノ信号のエネルギーの分布です。原子炉ニュートリノと邪魔もの反応を差し引くと地球ニュートリノの明らかな兆候が見えています。

 

この結果、地球内部のウラン、トリウムの量が評価され、最新の地球の化学組成のモデルと良く一致していることがわかりました。今後データの蓄積が進むにつれ、さらに精密な検証が可能になるものと期待されています。

太陽ニュートリノの検出について。カムランドでは従来の水を使った観測実験ではなしえなかった、低いエネルギーのニュートリノのリアルタイム観測を目指しています。太陽ニュートリノの検出は原子炉ニュートリノや地球ニュートリノと違い、電子ニュートリノの検出実験です。その反応は電子をはねとばす反応に限られており、多くの邪魔もの反応に遮られ大変困難です。このため検出器の1000トン液体シンチレータから蒸留によって不純物を完全に除去する努力を続け、ついに太陽ニュートリノの主要な成分である「ベリリウムニュートリノ」をとらえることに成功しました。結果は解析中ですが、太陽の標準模型の検証と、ニュートリノ振動の研究への貢献が期待されています。液体シンチレータの蒸留で格段にきれいになったカムランドによる原子炉ニュートリノ、地球ニュートリノの高品質のデータとあわせて、今後の新たな成果が期待されるところです。

カムランドでは次期計画として、2重ベータ崩壊の高感度の探索実験を目指しています。ニュートリノは電荷を持たないので、ニュートリノと反ニュートリノは実は同一の粒子である可能性があり、実験者は単に「右巻き」と「左巻き」の違いを検出しているだけなのかも知れません。そのようなニュートリノを「マヨラナ型」と言います。ニュートリノが「マヨラナ型」かどうかはニュートリノの本質に関わる重大な課題であり、ニュートリノがなぜ他の素粒子に比べて異常に軽いのか、その絶対質量はどうなのか、さらにニュートリノが宇宙の進化にどう関わったかを探る上でも鍵となる重要な課題と考えられています。

これらを一気に探求できるのが「2重ベータ崩壊」の探索実験です。2重ベータ崩壊は原子核が電子を2個放出して原子番号が2増えるとても稀な現象です。これまでにいくつかの原子核について2個の電子とともに2個のニュートリノが放出される現象が検出されていますが、もしニュートリノが「マヨラナ型」ならばニュートリノの出ない2重ベータ崩壊が起こります。これまで世界中で探索が続けられてきましたが現在のところ事実上未発見とされており、多くの実験グループがしのぎを削っています。

探索のポイントは、「可能な限り大量の原子核を集めて、環境放射能のないところでじっと待つ」ことです。これはそう簡単ではありません。

カムランドは極低放射能の環境と世界最大の液体シンチレータを有する検出器の利点を最大限に活かし、これまでの100倍以上の感度での探索を目指しています。その鍵はキセノンの同位体(キセノン136)です。キセノンが大量に液体シンチレータに溶けることを利用して、第1段階で400kg、最終的には1000kgのキセノン同位体を使った実験を行う計画です。これまでのニュートリノ観測実験も並行して行うことができるもので、現在開発研究を進めています。

カムランドの研究は世界最先端であるがゆえに、我々の全く予想しなかった結果をもたらすかもしれません。それがまた新たな自然の理解につながり、研究の意外な展開につながるかもしれません。ノーベル賞の小柴先生がかつて同じ場所で、陽子崩壊の検出を目指して始められたカミオカンデ実験が、絶ゆまざる努力によって太陽ニュートリノの検出へと展開し、さらに誰もが予想しなかった宇宙のかなたからの超新星爆発ニュートリノの初検出に成功し、ニュートリノ天文学が創始されたように。

白井先生によるニュートリノのやさしい解説も掲載しています。