KamLANDについて

KamLAND (カムランド)

KamLAND - カムランド -
(The Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector)

 カムランドでは大きく分けて4つの研究をしています。

• 原子炉ニュートリノによるニュートリノの性質解明
• ニュートリノ地球物理の創出
• ニュートリノ天文学の推進
• ニュートリノを伴わない二重β崩壊の探索

これらの研究を通じ、「物質の起源」を解明し、重力·電磁力などの 「力の統一」を読み解くことで、宇宙の始まりや未来を探求していくことが出来ます。

物質を構成する素粒子は、クォークとレプトンに分類されます。クォークは陽子・中性子などを構成する素粒子であり、6種類あることが知られています。クォークは自然界で知られている4つの力(電磁力、弱い力、強い力、重力)をすべて受けます。

レプトンはクォークに対し強い力を受けない素粒子で、クォークと同じく6種類あります。そのうち3種類は電荷を持った電子・ミュー粒子・タウ粒子で、残りは電子ニュートリノ・ミューニュートリノ・タウニュートリノの3種類あります。ニュートリノは電荷を持たないため電磁力も受けません。また、ニュートリノは非常に軽く、ニュートリノ以外で最も軽い電子と比べても10万分の1以下の質量しかありません。

一方、宇宙全体で素粒子の存在数を平均すると、ニュートリノが1立方センチメートルあたり約300個存在するのに対し、他の素粒子は1億分の1個程度しか存在しません。宇宙に桁違いに多く存在するニュートリノの性質は、素粒子大統一理論の構築や宇宙の成り立ちを解明する上で非常に重要な意味を持っています。

また、太陽や地球などの天体は大量のニュートリノを放出しており、太陽ニュートリノに至っては1平方センチメートルあたり1秒あたり660億個のものニュートリノが地球に到達しますが、ニュートリノは強い力も電磁力も受けないため、そのほぼ全てが痕跡も残さずにすり抜けています。ニュートリノの透過性の高さは観測を困難にしますが、その反面通常は見透かすことができないような天体内部からも有用な情報を直接もたらしてくれます。

このようなニュートリノを捕らえるため、宇宙線の影響の少ない地下深くに巨大で極低放射能の実験装置カムランドが建設されました。カムランドは、1000トンの液体シンチレータを蓄え、素粒子反応によって生じる微弱なシンチレーション光を、球形タンク内に張り巡らした1879本の高感度光センサーで捕らえます。カムランドの液体シンチレータは、通常の物質と比べて1兆分の1程度しか放射性不純物を含んでおらず、希な現象の研究に適した極低放射能環境を実現しています。

原子炉ニュートリノによるニュートリノ振動の精密測定

カムランドが最初に目指したことは、「太陽ニュートリノ問題」の解明です。太陽は中心部での核融合反応をエネルギー源にして輝いていますが、中心部の様子を見透かすことができないので、同時に放出されているニュートリノ観測することで核融合反応の状況を調べようとする実験が1960年代に行われました。

ところが、太陽の明るさから予測する3分の1程度のニュートリノしか観測されず、その後の太陽ニュートリノ観測実験によっても追認されていきました。30年以上未解決だったこの問題の解明には、発生量がしっかりと理解できている人工のニュートリノ源が適しています。カムランドを設置した飛騨市は、世界最強の柏崎刈羽の原子力発電所や、若狭湾の原子炉群などから平均して180km程度離れたところに位置します。太陽が核融合反応を通じて電子ニュートリノを生成するのに対し、原子炉は核分裂反応によってその反粒子である反電子ニュートリノを生成します。各原子炉の運転履歴から反電子ニュートリノの生成量は正確に計算できることから、180kmの距離を反電子ニュートリノがどのように伝搬するかを調べることができます。

実は、ニュートリノには種類を繰り返し変化させながら伝搬するニュートリノ振動という現象があります。素粒子の混合というものはクォークでも知られていますが、ニュートリノにはそれよりずっと大きな混合がみられます。ニュートリノは非常に軽いですが質量を有しています。3種類の質量のニュートリノがあることがわかっており、これらが混合して3種類のフレーバー(香り)の電子・ミュー・タウニュートリノが構成されています。これは、ニュートリノが複合粒子であるという意味ではなく、異なる状態の量子力学的な重ね合わせであることを意味しています。そして、量子力学的には、重いニュートリノは速い周期の波で、軽いニュートリノは遅い周期の波です。これらの周期の異なる波が重ね合わされることで、波のうなりに応じてニュートリノが種類を変えることから、ニュートリノ振動と呼ばれます。電子ニュートリノというように特定のニュートリノに着目すると消滅・復元を繰り返すことになります。実際には、このニュートリノ振動の観測によって、ニュートリノには3種類の質量があり、それらが混合して各フレーバーのニュートリノが構成されていることが発見されました。

カムランドは、原子力発電所からの反電子ニュートリノを観測することで、180kmという長距離で起こる量子力学的な現象であるニュートリノ振動を見事に観測しました。距離÷エネルギーという変換を適用することで、反電子ニュートリノが消滅・復元を繰り返しているのを2周期にわたってはっきりと捉えています。これにより太陽ニュートリノ問題を解明するとともに、ニュートリノの質量に関する情報(質量の2乗差)を2.5%という高精度で決定することに成功しました。

ニュートリノ振動の研究ではスーパーカミオカンデの梶田先生、SNO実験のマクドナルド先生がノーベル賞を受賞しました。梶田先生が観測したのは、大気中で作られたミューニュートリノが、地球の裏からという遠距離では、減って見えることを発見したもので、今ではタウニュートリノに変化したということがわかっています。また、マクドナルド先生は太陽から来るニュートリノを、全ての種類を合計すると、期待していた電子ニュートリノの数と一致していることを発見しました。これは、ニュートリノが種類を変えたことの証拠です。カムランドが観測した反電子ニュートリノ振動は、同種のニュートリノが地球内部で大量に作られているということで、特別な意味を持っています。

ニュートリノ地球物理の創出

ニュートリノの伝搬が解明されたことで、ニュートリノの透過性の高さを利用した不可視の天体内部観測が現実的なものとなりました。身近なはずの地球や太陽内部には、未解明なことが山積しています。

46億年前に隕石が集積して作られた地球が、その後どうのように現在の地球に発展したのか。そして、地震や地磁気生成などの現在の地球ダイナミクスは、どうのように引き起こされているのか。これらを解明するには、地熱の理解が非常に重要になります。地球内部に存在するウランやトリウムといった放射性物質は、その崩壊によって熱を生成するとともに、反電子ニュートリノを放出します。

カムランドは、これを観測することに成功しました。ニュートリノ観測が地球内部を直接的に観測する新しい手法を提供したことで、「ニュートリノ地球物理」が創出されました。地球上の他の地域でも、地球ニュートリノ観測が計画されており、これらとも連携した多地点観測により、ニュートリノによる詳細な地球内部の研究が進展すると期待されています。

これまでのカムランドの観測では、地球表面に流れてくる地熱量(47兆ワットにもなります)と比べて、地球内部で生成される放射性熱生成は半分もなく、地球が冷えつつあるということを、ニュートリノ観測によって初めて実証しました。地球を作った隕石の種類も解明できると期待されています。地球内部の様子をニュートリノで観測することは、ニュートリノトモグラフィーと言えると思いますが、より詳細な情報を得るためには、多地点でのステレオ観測やニュートリノの方向測定が必要になると考えています。今後、カナダや中国で同様の観測が計画されていますし、カムランドでもニュートリノの方向を検知するための研究開発を行なっています。さらに、カムランドのような検出器を曳航して、海底に沈めて観測するという海洋底地球ニュートリノ検出器計画(OBD計画)も推進しています。いろんな場所で、マントルを詳細に測ることができれば、地球内部の理解は、さらに進むことでしょう。今後、ますます発展していく研究分野であると考えています。

ニュートリノ天文学の推進

カムランドは、天体から来るニュートリノも検出できます。既に、太陽ニュートリノの検出には成功していますが、他にも、突発的な天体現象に関連したニュートリノがないか探索しています。太陽フレア、ガンマ線バースト、重力波との相関などを探しています。

ある天体現象を、望遠鏡だけでなく色々な手法で観測することを、マルチメッセンジャー観測と言います。複数の手法を組み合わせることで、より詳細に天体現象を理解することができます。ニュートリノに関しては、低エネルギーを得意とするカムランド、中エネルギーを得意とするスーパーカミオカンデ、高エネルギーを得意とする南極のIceCUBEが広いエネルギー範囲をカバーしています。超新星爆発に対して、カムランドは、特徴的な貢献ができると考えています。全ての種類のニュートリノを、観測できる陽子反跳という手法が可能なのはカムランドだけです。この方法は、超新星爆発の際の温度と明るさを同時に観測できます。また、近傍の赤色巨星の一つであるベテルギウスは、いつ爆発してもおかしくないので注目の天体です。他にも同じような候補がいくつかあります。ベテルギウスが超新星爆発をした時に、ニュートリノや光学で得られる情報は、絶大と考えられています。さらに、重力波望遠鏡が実現している現在は、重力波でも観測できると、さらに情報が得られ、完全なマルチメッセンジャー観測が実現します。

ところで、望遠鏡は、いつもベテルギウスを観測しておくわけにはいきませんが、超新星爆発ニュートリノを観測して、しばらくしてから光が到達するので、ニュートリノ検出器は、望遠鏡にアラームを送るようになっています。ところが、重力波は、ニュートリノと同時にやってくるのです。そして、重力波観測は性能向上に充てられる時間が多く、稼働してない期間が多くあります。前もって爆発することを知っていれば、観測体制で待機できるというものです。なんと、カムランドは、近傍の超新星爆発なら、爆発前のシリコン燃焼時に、天体が高温になった時点で、ニュートリノを捉えることができ、1週間近く前からアラームを出すことが可能です。重力波望遠鏡は、カムランドに近傍超新星爆発の予兆がないかを常に見守っています。

ニュートリノを伴わない二重β崩壊の探索

ニュートリノ観測のために実現した、カムランドの極低放射能環境は、希な現象を観測するのに最適です。この特徴を生かした「ニュートリノを伴わない二重β崩壊(0ν2β)の探索」が、現在のカムランドの主要テーマになっています。この探索実験は、「カムランド禅=KamLAND-Zen」と命名されました。「Zen=Zero neutrino double beta decay」のことですが、稀な現象をじっと待つというスタイルが「禅=Zen」に似ているということ、「その後=then」という意味合いを込めて、そして探索で使う「キセノン=xenon」がゼノン(zenon)とも発音するからです。宇宙・素粒子の大問題解明につながるとして、とても注目されている探索なので、ぜひ紹介させてください。

電荷を持たないニュートリノは、粒子と反粒子の区別がない可能性があります。この理論の歴史は、古く1937年のマヨラナ博士に端を発することから、マヨラナニュートリノといいます。ちなみに、区別がある場合は、ディラックニュートリノと言います。実験的には、ニュートリノと反ニュートリノは異なる振る舞いをしますが、マヨラナ理論では、進行方向に対して左に回転している場合はニュートリノ、右に回転している場合は反ニュートリノ、と区別します。実の所、マヨラナニュートリノとディラックニュートリノを区別する必要は、ほぼなかったのですが、ニュートリノ振動が発見されたことで、状況が大きく変わりました。ニュートリノ振動は、ニュートリノが質量を持つことの証明です。質量があるニュートリノは、必ず光の速度より遅く飛行し、試行テストとして追い越すことが可能です。マヨラナニュートリノの場合、左に回転しているニュートリノを追い越すと右に回転しているように見えて、つまり反ニュートリノになります。ディラックニュートリノの場合は、左巻きニュートリノを追い越すと、右巻きニュートリノになります。さて、20世紀の大発明、特殊相対性理論と量子力学を組み合わせて作られるディラック方程式によると、物質を構成する質量を持った素粒子は、4つの状態は持つことがわかっています。ディラックニュートリノの場合は、左巻きニュートリノ、右巻きニュートリノ、左巻き反ニュートリノ、右巻き反ニュートリノで4つです。マヨラナニュートリノは、左巻きニュートリノと右巻き反ニュートリノしか登場していません。残り2つは、重い右巻きニュートリノと、重い左巻き反ニュートリノとするのが自然です。長くなってしまいましたが、マヨラナニュートリノなら重いニュートリノが必要になります。

さて、この重いニュートリノがすごいのです。重いニュートリノが登場することで、「ニュートリノが極端に軽い質量を持つ謎」をシーソー模型という理論で説明できます。また、無から生じた宇宙には、物質と反物質が同数作られることが、先ほどのディラック理論からわかります。そして、それらは、出会うと消滅して無に帰すのです。それにもかかわらず、物質でできた我々が宇宙に存在しているのは、「宇宙物質優勢の謎」と言われる宇宙・素粒子の大問題の一つです。物質は粒子、反物質は反粒子で作られますので、粒子・反粒子の区別のないマヨラナニュートリノは、特別の意味を持ちます。レプトジェネシス理論は、重いニュートリノの作る粒子・反粒子のちょっとした非対称が現在の物質の起源になっていると説明します。また、重いニュートリノを暗黒物質の起源とする理論もあります。さらには、複雑な素粒子の構成を統一して、一つの表現にまとめてしまうことで、大統一理論は構築されますが、SO(10)大統一理論を作るには重いニュートリノが必要です。これほど大活躍する重いニュートリノですが、これを実験的に作ることは、不可能だと考えられています。代わりに、その存在を証明するためには、マヨラナニュートリノであることを調べれば良いのです。

0ν2βは、ニュートリノがマヨラナニュートリノであることの証拠となると同時に、ニュートリノ振動では決定できないニュートリノ質量(有効質量)の絶対値を与えます。二重β崩壊は、2つのβ崩壊を同時に起こして原子番号が2つ隣の原子核に崩壊する過程ですが、通常のβ崩壊がエネルギー準位として許されない場合に、観測可能になります。その際、2つのβ線と2つの反電子ニュートリノを放出する2ν2βは素粒子標準模型の範疇で起こる現象で、いくつかの原子核で観測されています。マヨラナニュートリノの場合は、一方のβ崩壊で生成した反電子ニュートリノが電子ニュートリノとなり、もう一方で吸収される現象が可能です。ニュートリノが放出されずに電子(β)2つが放出されるこの現象が、0ν2βです。その重要性から、世界中で多くの探索が行われてきました。2ν2β自体が稀な現象で、0ν2βはさらに稀なので、観測は難しく未発見のままです。この探索には、大量の二重β崩壊核を用意してバックグラウンドの少ない環境で観察する必要があります。カムランドは、非常に低バックグラウンドの環境であることに加え、液体シンチレータには容易に二重β崩壊核であるXe-136を溶かすことができます。カムランド中心にミニバルーンを導入し、Xe-136を溶かし液体シンチレータで満たします。Xe-136は、自然存在比が8.9%しか無いので、遠心分離のよって91%にまで同位体濃縮キセノンを使用しました。2011年に始まった実験は、2015年末まで続けられ、380kgのキセノンを使いました。この探索では、0ν2βは未発見で、Xe-136の0ν2β半減期が10の26乗年以上であることが判明しました。未発見とはいえ、世界で最も感度が高い探索を実現しました。ニュートリノ振動を説明するニュートリノの質量構造は、3種類あって、3つのニュートリノが重い縮退構造、2つのニュートリノが重い逆階層構造、1つのニュートリノが重い順階層構造があります。カムランド禅の探索は、縮退構造をほぼ否定しました。2019年からは、キセノンを750kgにまで増量し探索を続けています。この探索では、逆階層構造に差し掛かる探索が可能で、複数の理論予測があることから、大発見も期待できます。さたに、カムランドを高性能化するカムランド2禅計画では、逆階層構造を網羅した探索をすることで、大発見を期待するとともに、未発見だとしても、消去法による構造決定を目指すことができます。

カムランド2は、地球ニュートリノなどのニュートリノ観測性能も向上し、新たな稀な現象探索を実施する極低放射能環境も提供します。カムランド2実現の、ご支援をよろしくお願いします。

教授:井上 邦雄より

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