ソ連・アメリカ共同ガリウム実験

SAGE（ソ連・アメリカ・ガリウム実験、またはロシア・アメリカ・ガリウム実験とも呼ばれる）は、太陽ニュートリノのフラックスを測定するために、複数の著名な物理学者によって考案された共同実験である。

SAGEは、逆ベータ崩壊（より厳密には逆電子捕獲）に基づく放射化学的手法を用いて太陽ニュートリノ束を測定するために考案された。逆ベータ崩壊とは、ガリウム（Ga）原子とニュートリノ（ν）との間の核反応であり、電子とゲルマニウム（Ge）原子（^71Ga）を生成する。${\displaystyle +\nu _{e}\rightarrow e^{-}+}$⁷¹ Ge。反応のターゲットは、ロシアのコーカサス山脈にあるバクサン ニュートリノ観測所の地下2,100 m (6,900フィート)に保管されている 50 ～ 57トンの液体ガリウム金属。実験を行う研究所は、ガリウム・ゲルマニウム ニュートリノ望遠鏡 (GGNT) 研究所と呼ばれ、GGNT は SAGE 装置の名称です。約 1 か月に 1 回、ニュートリノによって生成されたゲルマニウムがガリウムから抽出されます。71 ^Geは電子捕獲に対して不安定(半減期11.468 日) であるため、抽出されたゲルマニウムの量は、小型比例計数管で測定されたその放射能から決定できます。  

この実験は、1989 年 12 月にガリウム標的を用いた太陽ニュートリノ捕獲率の測定を開始し、数回の短い中断を除いて 2011 年 8 月まで継続されました。2013 年に、この実験は「継続中」と説明され^{[ 1 ]}、最新の公開データは 2011 年 8 月のものでした。2014 年の時点で、SAGE は月 1 回のデータ抽出を継続していると述べられ^{[ 2 ]}、この実験は 2016 年と 2017 年も継続中でした^{[ 3 ] [ 4 ] 。}

この実験では、1990年1月から2007年12月までの168回の抽出で太陽ニュートリノ束を測定した。1990年から2007年のデータセットに基づく実験結果は以下の通りである。65.4 +3.1 −3.0 (統計) ^+2.6 _{− 2.8} (系統) SNU 。これは、さまざまな標準太陽モデルが予測する捕獲率のわずか56～60%に過ぎず、標準太陽モデルは138 SNUを予測している。この差はニュートリノ振動と一致している。

この共同研究チームは、実験操作のテストに518 kCiの51Cr^{ニュートリノ}源を使用しました。これらのニュートリノのエネルギーは太陽ベリリウム7ニュートリノと類似しているため、実験手順の理想的な検証となります。クロム実験のための試料抽出は1995年1月から5月にかけて行われ、試料の計数は秋まで続きました。測定された生成率と期待される生成率の比で表される結果は、1.0 ± 0.15。これは、太陽モデルの予測とSAGEフラックス測定値との間の不一致が実験的なアーティファクトではないことを示している。

2003年から2004年にかけて、BN-600原子炉で酸化カルシウムを照射し、その後アルゴンを化学的に分離することにより、アルゴン37ニュートリノ源が作られた。これを用いた較正実験が4月30日から9月27日まで行われた。その結果、^71Geの生成量は2005年に予想の79%と計算され^{[ 5 ]} 、 GALLEX実験の1つによる以前の(1998)推定値が確認された(別の実験では、SAGEのCr実験と同様に、100%と区別できない結果が得られた)。^{[ 6 ] [ 7 ]}この不一致はすぐにガリウム異常として知られるようになった。

2006年に異常が報告された後、物理学者たちは観測された不足の潜在的な説明を探求し始めた。2007年の分析^{[ 8 ]}では、電子ニュートリノが仮想的な無菌ニュートリノに振動する可能性を考慮し、 2ニュートリノ混合と3ニュートリノ混合の枠組みでデータを調べた。2009年までに、潜在的な実験誤差の徹底的な調査により、ゲルマニウムの化学的抽出、計数手順、データ解析技術の効率が検証され、重大な実験誤差は除外された。^{[ 9 ] [ 10 ]}これにより、異常の証拠が強化され、焦点は標準的な3ニュートリノモデルを超える潜在的な新しい物理学の調査へと向けられた。 2013年のレビューでは、ガリウムの結果と原子炉反ニュートリノ実験のデータを組み合わせて、短いベースラインでの電子（反）ニュートリノ消失の一貫したパターンを主張し、無菌ニュートリノ解釈を決定的に確認または反証するために、より精密な測定と専用の実験が必要であることを強調した。^{[ 7 ]}

^{2014年、SAGE実験のGGNT装置が、 51Cr}に基づく強力な人工ニュートリノ源を用いた超短基線ニュートリノ振動実験であるBaksan Experiment on Sterile Transitions (BEST)を実行するためにアップグレードされました。^{[ 11 ]} 2017年にBEST装置は完成しましたが、人工ニュートリノ源がありませんでした。^{[ 3 ]} 2018年現在、BEST実験は進行中であり、^{[ 12 ]}後続実験BEST-2が検討されており、ニュートリノ源を亜鉛-65に変更する予定です。^{[ 13 ]}異常がニュートリノ源からの距離によって説明できるかどうかをよりよく判断するために、1つではなく2つのガリウムチャンバーを使用します。^{[ 14 ]}

2022年6月、BEST実験は、反応によって生成されると予想されるゲルマニウム同位体の生成量が20～24％不足していることを観測した2つの論文を発表した。${\displaystyle {}^{71}{\text{Ga}}+\nu _{e}\rightarrow e^{-}+{}^{71}{\text{Ge}}}$いわゆるガリウム異常に関するSAGEとGALLEXの以前の結果を確認し、不活性ニュートリノの説明がデータと矛盾しないことを指摘した。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}さらに、1998年に不正確さの原因として提案されたニュートリノ捕獲断面積の精度が2023年に向上し^{[ 18 ] 、 71Ge}の半減期も2024年に向上し[20]、^{これらが異常の可能}性のある説明として除外された^{。[ 14 ]}

SAGEは、その歴史の中で以下の物理学者によって率いられてきました。

• ウラジミール・ガヴリン（ 2017年時点での実験責任者））
• ゲオルギー・ザツェピン（ロシア合同原子核研究所）
• トーマス J. ボウルズ(ロス アラモス)

• ハンス・ベーテ、恒星における核融合反応理論の提唱者
• ワシントン大学は、SAGEデータの統計分析を実施し、系統的不確実性の決定を支援している。

• Abdurashitov, JN; et  al. (2009). "ガリウム金属を用いた太陽ニュートリノ捕獲率の測定。III. 2002～2007年のデータ取得期間の結果". Physical Review C . 80 (1) 015807. arXiv : 0901.2200 . Bibcode : 2009PhRvC..80a5807A . doi : 10.1103/PhysRevC.80.015807 . S2CID 118782386 . 

• ワシントン大学による実験のウェブページ
• 実験結果を掲載した古いページ（1994年）
• いくつかの結果（2001年）（ロシア語）
• ハンス・ベーテがSAGEについて語る（動画）
• INSPIRE-HEPにおけるSAGE実験記録

北緯43度16分32秒、東経42度41分25秒/北緯43.27556度、東経42.69028度/北緯43.27556度、東経42.69028度