ニュートリノ検出における純水のブレークスルー

国際的な科学者チームは、以前使用されていた高価な液体シンチレーターの代わりに、純水を使用してニュートリノを検出するという画期的な成果を上げました。 オンタリオ州サドベリーの鉱山で行われたサドベリー ニュートリノ観測 (SNO+) 実験では、純水を使用して、反ニュートリノとして知られる素粒子を検出しました。 ニュートリノと反ニュートリノは、物質の基本的な構成要素と見なされる小さな亜原子粒子であり、原子炉の監視や核活動の検出などの実用的な用途があります。 研究者たちは、各国が核兵器条約を確実に遵守できるように、大型で安価な原子炉を数多く建設できることを望んでいます。

ジャーナルに掲載された研究 フィジカルレビューレター ペンシルベニア大学芸術科学部のジョシュア・クライン教授、エドモンド・J・カーン教授、ルイーズ・W・カーン教授を含む国際的な科学者チームによって実施された研究は、ニュートリノの検出に大きなブレークスルーをもたらしました。

最寄りの原子炉から約 240 km (約 149.13 マイル) 離れたオンタリオ州サドベリーの鉱山にあるサドベリー ニュートリノ観測 (SNO+) として知られる国際共同実験では、純水を使用して、反ニュートリノとして知られる亜原子粒子が検出されました。 Klein 氏は、これまでの実験では液体シンチレーターを使ってこれを行っていたと指摘しています。液体シンチレーターは、電子や陽子などの荷電粒子が通過するときに大量の光を生成する油のような媒体です。

「検出器が原子炉から 240km (ニューヨーク州の約半分の長さ) 離れている必要があることを考えると、大量のシンチレータが必要であり、非常に高価になる可能性があります」と Klein 氏は言います。 「つまり、私たちの研究は、水だけでこれを行うために非常に大きな検出器を構築できることを示しています。」

ニュートリノと反ニュートリノとは何か、なぜ気にする必要があるのか

クラインは、ニュートリノと反ニュートリノは、宇宙で最も豊富な粒子であり、物質の基本的な構成要素と考えられている小さな亜原子粒子であると説明していますが、科学者は、他の物質との相互作用がまばらであり、遮蔽できないため、それらを検出するのが困難でした.彼らはありとあらゆるものを通り抜けることができます。 しかし、それはそれらが有害または放射性であるという意味ではありません.毎秒約100兆個のニュートリノが予告なしに私たちの体を通過します.

ただし、これらの特性により、これらのとらえどころのない粒子は、宇宙の形成や遠くの天体の研究など、さまざまな物理現象を理解するのにも役立ちます。秘密の核活動を検出する可能性があります」とクラインは言います。

彼らがどこから来たのか

ニュートリノは通常、恒星での核反応のような高エネルギー反応によって生成されます。たとえば、陽子や他の粒子が衝突して副産物としてニュートリノを放出する太陽の水素のヘリウムへの核融合などですが、反ニュートリノは通常人工的に生成されるとクラインは言います。たとえば、原子核を分割する原子炉は、反応による放射性ベータ崩壊の結果として反ニュートリノを生成します」と彼は言います。 「そのため、原子炉は大量の反ニュートリノを生成し、それらを研究するための理想的なソースにしています。」

この最新の発見が画期的な理由

「そのため、反ニュートリノを測定して原子炉を監視することで、原子炉がオンかオフかを知ることができます」とクライン氏は言います。

したがって、クラインは、外国の原子炉を監視して、その国が発電原子炉から兵器級物質を製造する原子炉に切り替えているかどうかを確認できると説明しています。 水だけで評価を行うということは、たとえば、国が核兵器禁止条約の約束を確実に守るために、大型で安価な原子炉をいくつも建設できることを意味します。 それは核不拡散を確保するためのハンドルです。

なぜこれまで行われなかったのか

「原子炉の反ニュートリノはエネルギーが非常に低いため、検出器は微量の放射能からでも非常にクリーンでなければなりません」とクラインは言います。 「さらに、検出器は、イベントを検出できる十分に低いしきい値で「トリガー」できなければなりません。」

彼は、原子炉が 240km も離れている場合、原子炉に少なくとも 1,000 トンの水が含まれていることが特に重要であると述べています。 SNO+ はこれらの基準をすべて満たしていました。

主導権を握る

Klein 氏は、この取り組みの先頭に立った元研修生の Tanner Kaptanglu 氏と Logan Lebanowski 氏の功績を認めています。 この測定のアイデアは Kaptanglu の博士論文の一部でしたが、元ポスドク研究員の Lebanowski がこの操作を監督しました。

「私たちの計装グループは、すべてのデータ取得電子機器を設計および構築し、検出器の「トリガー」システムを開発しました。これにより、SNO+ は原子炉の反ニュートリノを検出するのに十分なほど低いエネルギーしきい値を持つことができました。」

参考文献: A. Allega et al. による「SNO+ で純水を使用した遠隔原子炉からの反ニュートリノの証拠」。 (SNO+ コラボレーション)、2023 年 3 月 1 日、 フィジカルレビューレター.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.091801

Joshua Klein は、ペンシルベニア大学アーツ サイエンス スクールの物理学および天文学科の Edmund J. and Louise W. Kahn 教授および大学院長です。

SNO+ 実験のための資本建設資金は、カナダイノベーション財団 (CFI) とマッチングパートナーによって提供されました。 SNOLAB の運用は、CFI とオンタリオ州研究革新省によってサポートされており、クレイトン鉱山サイトのヴェイルによって地下アクセスが提供されています。

この研究は、原子力科学およびセキュリティ コンソーシアムを通じて、エネルギー省の核物理局、国立科学財団、およびエネルギー省の国家核セキュリティ管理局によって資金提供されました。