ジオニュートリノ

原子核物理学および粒子物理学において、地球ニュートリノは、地球で天然に存在する 放射性核種の崩壊時に放出されるニュートリノまたは反ニュートリノである。ニュートリノは、既知の亜原子粒子の中で最も軽く、測定可能な電磁気特性を欠いており、重力を無視すると弱い核力によってのみ相互作用する。物質はニュートリノに対して実質的に透明であるため、ニュートリノは放出地点から地球中をほぼ光速で妨害されることなく移動する。全体として、地球ニュートリノは地球内部の放射性源の存在量に関する統合された情報を持っている。ニュートリノ地球物理学という新興分​​野の主な目的は、地球ニュートリノ測定から地質学的に有用な情報（例えば、個々の地球ニュートリノ生成元素の存在量と地球内部の空間分布）を抽出することである。Borexinoコラボレーションのアナリストは、地球内部で発生したニュートリノの53イベントに到達することに成功した。^[1]

ほとんどの地球ニュートリノは電子反ニュートリノであり、
β^{−
地球ニュートリノは、 40} K、²³² Th、²³⁸ Uの崩壊枝から構成されています。これらの崩壊系列を合わせると、現在地球内部で発生している放射性発熱の 99% 以上を占めています。自由陽子の逆ベータ崩壊機構によって検出できるのは、 ²³² Th と²³⁸ U の崩壊系列からの地ニュートリノのみです。これは、これらのエネルギーが対応する閾値 (1.8 MeV ) を超えているためです。ニュートリノ実験では、地下の大型液体シンチレーター検出器がこの相互作用から発生する光の閃光を記録します。2016 年現在、カムランドとボレクシノの共同研究によって報告されているように、2 つのサイトでの地ニュートリノ測定により、地球内部の放射性発熱の量に制限が課され始めています。3 つ目の検出器 ( SNO+ ) が 2017 年にデータ収集を開始する予定です。JUNO 実験は中国南部で建設中です。中国の金平地下実験室では、もう一つの地球ニュートリノ検出実験が計画されている。 ^{[アップデート]}

ニュートリノは1930年にヴォルフガング・パウリによって仮説が立てられました。原子炉で生成された反ニュートリノの最初の検出は1956年に確認されました。 ^[2]地質学的に生成されたニュートリノを研究して地球の組成を推測するというアイデアは、少なくとも1960年代半ばから存在していました。^[3] 1984年の画期的な論文で、クラウス、グラショー、シュラムは 予測される地球ニュートリノフラックスの計算を提示し、検出の可能性について議論しました。^[4]地球ニュートリノの最初の検出は、2005年に日本の神岡宇宙素粒子研究施設のカムランド実験によって報告されました。 ^{[5] [6]} 2010年にイタリアのグラン・サッソ国立研究所のボレクシーノ実験が地球ニュートリノの測定値を発表しました。^{[7] [8] KamLANDの最新結果は2011年[9] [10]と2013年[11]} に発表され、Borexinoは2013年^[12]と2015年に発表されました。 ^[13]

地球内部は約47 TW（テラワット）の割合で熱を放射しているが、 ^{[15]これは入射する太陽エネルギーの0.1％未満である。この熱損失の一部は、}地球内部での放射性同位体の崩壊時に発生する熱によるものである。残りの熱損失は、地球の永年冷却、地球の内核の成長（重力エネルギーと潜熱の寄与）、およびその他のプロセスによるものである。最も重要な熱発生元素は、ウラン（U）、トリウム（Th）、カリウム（K）である。地球におけるこれらの元素の存在量に関する議論はまだ決着していない。地球内部の放射性加熱率の合計は、最低約10 TWから約30 TWまでの範囲で、さまざまな組成の推定値が存在する。^{[16] [17] [18] [19] [20]}約7 TW相当の熱発生元素が地殻に存在し、^[21] 残りは地球マントルに分布しています。地球核のU、Th、Kの量はおそらく無視できるほどです。地球マントルの放射能は内部加熱を提供し、マントル対流を促進します。これがプレートテクトニクスの原動力です。マントルの放射能の量とその空間分布（マントルは大規模に組成的に均一なのか、それとも異なる貯留層で構成されているのか）は、地球物理学にとって重要です。

地球の組成に関する現在の推定値の範囲は、地球の形成に寄与したプロセスと構成要素 (コンドライト隕石) が何であったかについての理解が不足していることを反映しています。地球内部の U、Th、K の存在量に関するより正確な知識は、現在の地球のダイナミクスと初期太陽系における地球の形成に関する理解を深めるでしょう。地球で生成された反ニュートリノを数えることで、地質学的存在量モデルを制約することができます。弱く相互作用する地球ニュートリノは、その放出源の存在量と、地球深部を含む地球全体における位置に関する情報を持っています。地球ニュートリノ測定から地球マントルの組成情報を抽出することは困難ですが可能です。そのためには、地球ニュートリノ実験データと、地球の地球化学モデルおよび地球物理学モデルを統合する必要があります。既存の地球ニュートリノデータは、主に基礎的なニュートリノ物理学研究用に設計された検出器による反ニュートリノ測定の副産物です。地球物理学的課題を念頭に置いて考案された将来の実験は、地球科学に役立つでしょう。そのような検出器の提案が提出されている。^[22]

さまざまな地球参照モデルで予測される地球ニュートリノ信号の計算は、ニュートリノ地球物理学の重要な側面です。この文脈では、「地球参照モデル」とは、熱を発生する元素 (U、Th、K) の存在量の推定と地球におけるそれらの空間分布に関する仮定、および地球の内部密度構造のモデルを意味します。これまでのところ、最も大きな差異が存在するのは、いくつかの推定が提案されている存在量モデルです。それらのモデルでは、総放射性熱生成量は最低約 10 TW ^{[16] [23]}から最高約 30 TW ^[17]までと予測されており、一般的に使用されている値は約 20 TW です。^{[18] [19] [20]}半径のみに依存する密度構造 (予備参照地球モデルまたは PREM など) と地球の地殻からの放射の 3 次元改良は、一般に地球ニュートリノ予測に十分です。

地球ニュートリノ信号の予測は、2つの主な理由で極めて重要である。1) 地球ニュートリノ測定結果を解釈し、提案されているさまざまな地球組成モデルをテストするために使用される。2) 新しい地球ニュートリノ検出器の設計の動機付けになる可能性がある。地球表面での典型的な地球ニュートリノフラックスは、数 × 10 ⁶  cm ⁻² ⋅s ⁻¹である。^[24] (i) 大陸地殻に熱発生元素が豊富に含まれていること（放射能が約7 TW）、および (ii) フラックスが1/(放出点からの距離) ²に依存することの結果として、予測される地球ニュートリノ信号パターンは大陸の分布とよく相関している。^[25]大陸サイトでは、ほとんどの地球ニュートリノは地殻内で局所的に生成される。これには、組成と密度の両方の点で正確な地殻モデルが必要であり、これは簡単な作業ではない。

体積 V からの反ニュートリノ放出は、各放射性核種ごとに次の式で計算されます。

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \phi (E_{{\bar {\nu }}_{e}},{\vec {r}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}=10{\frac {\lambda XN_{A}}{M}}{\frac {\mathrm {d} n(E_{{\bar {\nu }}_{e}})}{\mathrm {d} E_{{\bar {\nu }}_{e}}}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')P_{ee}(E_{{\bar {\nu }}_{e}},|{\vec {r}}-{\vec {r}}'|)}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}}$

ここで、d φ ( E _ν , r )/d E _νは位置r（単位はm）における完全に振動した反ニュートリノフラックスエネルギースペクトル（単位はcm ⁻² ⋅s ⁻¹ ⋅MeV ⁻¹）であり、 E _νは反ニュートリノエネルギー（単位はMeV）である。右側のρは岩石の密度（kg⋅m ⁻³）、Aは元素存在比（岩石 1 kg あたりの元素の kg）、Xは放射性核種の天然同位体分率（同位体/元素）、Mは原子質量（g⋅mol ⁻¹）、N _Aはアボガドロ定数（mol ⁻¹）、λは崩壊定数（s ⁻¹）、d n ( E _ν )/d E _νは反ニュートリノ強度エネルギースペクトル（MeV ⁻¹ 、エネルギーについて積分したときに崩壊系列で生成される反ニュートリノの数n _{νに正規化）、} P _ee ( E _ν , L ) は距離L を移動した後の反ニュートリノの生存確率です。地球サイズの放出領域では、完全に振動したエネルギー依存の生存確率P _{ee は、}単純な係数 ⟨ P _ee ⟩ ≈ 0.55、^{[14] [26]}平均生存確率に置き換えることができます。エネルギーを積分すると、与えられた放射性核種からの全反ニュートリノフラックス（cm ⁻² ⋅s ⁻¹）が得られます。

${\displaystyle \phi ({\vec {r}})=10{\frac {n_{{\bar {\nu }}_{e}}\langle P_{ee}\rangle \lambda XN_{A}}{M}}\int \limits _{V}\mathrm {d} ^{3}{\vec {r}}'{\frac {A({\vec {r}}')\rho ({\vec {r}}')}{4\pi |{\vec {r}}-{\vec {r}}'|^{2}}}}$

地球ニュートリノの総フラックスは、反ニュートリノを生成するすべての放射性核種からの寄与の合計である。地質学的な入力、特に密度と元素の存在比には大きな不確実性がある。残りの核物理学および粒子物理学のパラメータの不確実性は、地質学的な入力と比較すると無視できるほど小さい。現在、ウラン238とトリウム232はそれぞれ地球のマントルでほぼ同じ量の熱を生成すると推定されており、これらが現在放射性熱の主な寄与源となっている。しかし、ニュートリノフラックスは、原始核種の放射性崩壊による熱を完全には追跡しない。これは、ニュートリノがこれらの原始放射性核種の放射性崩壊連鎖から一定の割合のエネルギーを運び去るわけではないためである。

地球ニュートリノを測定する機器は、大型のシンチレーション検出器です。これらは、ブルーノ・ポンテコルボが提案し、フレデリック・ラインズとクライド・コーワンが1950年代の先駆的な実験で使用した方法である逆ベータ崩壊反応を使用します。逆ベータ崩壊は、電子反ニュートリノが陽子と相互作用して陽電子と中性子を生成する、荷電電流の弱い相互作用です。

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow e^{+}+n}$

この相互作用に参加できるのは、1.806 MeV の運動学的閾値 (中性子、陽電子、陽子の静止質量エネルギーの差) を超えるエネルギーを持つ反ニュートリノだけです。陽電子は運動エネルギーを放出した後、すぐに電子と対 消滅します。

${\displaystyle e^{+}+e^{-}\rightarrow \gamma +\gamma }$

数十から数百マイクロ秒の遅延で、中性子は陽子と結合して重陽子を形成します。

${\displaystyle n+p\rightarrow d+\gamma }$

陽電子と中性子に関連する2つの光の閃光は時間的にも空間的にも一致しており、これは液体シンチレータ内の単一閃光（非反ニュートリノ）背景イベントを排除する強力な方法を提供します。人工原子炉で生成される反ニュートリノは、地質学的に生成された反ニュートリノとエネルギー範囲が重なり、これらの検出器によってもカウントされます。^[25]

この反ニュートリノ検出法の運動学的閾値のため、²³² Th および²³⁸ U 崩壊系列からの最高エネルギー地球ニュートリノのみ検出できます。40 K 崩壊からの地球ニュートリノは^閾値以下のエネルギーを持ち、逆ベータ崩壊反応を使用して検出することはできません。実験粒子物理学者は、エネルギー閾値に制限されない他の検出方法 (例: 電子による反ニュートリノ散乱) を開発しており、これによりカリウム崩壊からの地球ニュートリノの検出が可能になります。

地球ニュートリノの測定は、フラックスの単位 (cm ⁻² s ⁻¹ )ではなく、地球ニュートリノ単位(TNU;太陽ニュートリノ単位に類似) で報告されることが多い。TNU は、陽子による逆ベータ崩壊検出メカニズムに特有のものである。1 TNU は、1 年間の 10 ^{32 個}の自由陽子の完全効率的な露出で記録された 1 回の地球ニュートリノ イベントに対応し、これは 1 キロトンの液体シンチレーション検出器内の自由陽子の数とほぼ等しい。フラックス単位と TNU 間の変換は、エミッターのトリウムとウランの存在比 (Th/U) に依存する。Th/U = 4.0 (地球の一般的な値) の場合、1.0 × 10 ⁶ cm ⁻² s ⁻¹のフラックスは8.9 TNU に対応する。^[14]

カムランド（神岡液体シンチレーター反ニュートリノ検出器）は、日本の神岡宇宙素粒子観測所にある1.0キロトンの検出器です。2005年に発表された749日間のライブタイムに基づく結果は、地球ニュートリノの最初の検出を示しています。反ニュートリノイベントの総数は152で、そのうち4.5〜54.2が地球ニュートリノでした。この分析により、地球の^232Thと^{238Uからの放射能の上限は60TWとされました。 [5]}

2011年に更新されたカムランドの結果では、検出器の使用時間2135日間のデータが使用され、シンチレーターの純度の向上と、福島原発事故後の柏崎刈羽原子力発電所の21か月に及ぶ停止による原子炉バックグラウンドの減少の恩恵を受けた。841の候補反ニュートリノ事象のうち、106が非ビン化最大尤度分析により地ニュートリノであると特定された。232 Thと^{238 Uは}一緒に20.0 TWの放射性エネルギーを生成することが判明した。^[9]

ボレクシノは、イタリアのラクイラ近郊にあるグランサッソ国立研究所の0.3キロトン検出器です。2010年に発表された結果は、537日間のライブタイムで収集されたデータを使用しています。15の候補イベントのうち、非ビン化最大尤度分析により9.9が地球ニュートリノであると特定されました。地球ニュートリノ帰無仮説は、99.997%の信頼水準（4.2σ）で棄却されました。データはまた、地球のコアに3TWを超える出力を持つアクティブな地球反応炉があるという仮説を95% CLで棄却しました^[7]

2013年の1353日間の測定では、14.3±4.4個の特定された地球ニュートリノを含む46個の「黄金の」反ニュートリノ候補が検出され、14.1±8.1TNUのマントル信号を示し、地球原子炉出力の95% CL制限を4.5TWに設定し、予想された原子炉信号が見つかりました。^[27] 2015年に、Borexinoは2056日間の測定（2007年12月から2015年3月まで）に基づいて、77の候補イベントを含む地球ニュートリノの更新されたスペクトル分析を発表しました。そのうち、24のみが地球ニュートリノとして特定され、残りの53イベントはヨーロッパの原子炉に由来しています。分析によると、地殻にはマントルとほぼ同じ量のUとThが含まれており、これらの元素とその娘元素からの総放射性熱流量は23〜36TWです。^[28]

SNO+は、カナダのオンタリオ州サドベリー近郊のSNOLABにある0.8キロトンの検出器です。SNO+はオリジナルのSNO実験室を使用しています。検出器は改修中で、2016年後半または2017年に稼働する予定です。 ^[29]

• 海洋底 KamLAND-OBK OBK は、深海に設置する 50 キロトンの液体シンチレーション検出器です。
• JUNO（江門地下ニュートリノ観測所、ウェブサイト）は、現在中国南部で建設中の20キロトンの液体シンチレーション検出器です。JUNO検出器は2023年に稼働する予定です。 ^[30]
• 金平ニュートリノ実験は、現在中国金平地下研究所（CJPL）で建設中の4キロトンの液体シンチレーション検出器であり、2022年に完成する予定です。 ^[31]
• LENA（低エネルギーニュートリノ天文学、ウェブサイト）は、 LAGUNAプロジェクトの提案された50キロトンの液体シンチレーション検出器です。提案されたサイトには、フィンランドのピュハサルミの地下物理学センター（CUPP）（推奨）とフランスのフレジュスのモダーン地下研究所（LSM）が含まれています。 ^[32]このプロジェクトはキャンセルされたようです。
• 米国サウスダコタ州リード市ホームステイクのDUSEL（深部地下科学技術研究所）^[33]
• ロシアのBNO（バクサンニュートリノ観測所）[ 34 ^]
• EARTH (地球反ニュートリノトモグラフィー)
• ハノハノ（ハワイ反ニュートリノ観測所）は、深海に持ち込める移動式検出器として提案されている。地球のマントルからの地ニュートリノに対する感度を高めるために、地球の大陸地殻や原子炉から離れた場所で動作するように設計された唯一の検出器である。^[22]

• 方向性のある反ニュートリノ検出。反ニュートリノが到達した方向を解明することで、地殻地ニュートリノと原子炉反ニュートリノ信号（ほとんどの反ニュートリノはほぼ水平に到達）とマントル地ニュートリノ（入射傾斜角の範囲がはるかに広い）を区別するのに役立ちます。
• ⁴⁰ K崩壊による反ニュートリノの検出。40 ^K崩壊による反ニュートリノのエネルギースペクトルは、逆ベータ崩壊反応の閾値エネルギー（1.8 MeV）を完全に下回るため、電子による反ニュートリノ散乱など、別の検出メカニズムを利用する必要があります。地球内の⁴⁰ Kの存在量を測定すると、地球の揮発性元素予算が制限されます。^[24]

• Dye, ST 編 (2007)。ニュートリノ地球物理学: ニュートリノ科学 2005 の議事録。ドルドレヒト、オランダ: Springer。doi : 10.1007 / 978-0-387-70771-6。ISBN 978-0-387-70766-2。
• McDonough, WF; Learned, JG; Dye, ST (2012). 「電子反ニュートリノの多様な用途」. Phys. Today . 65 (3): 46–51. Bibcode :2012PhT....65c..46M. doi :10.1063/PT.3.1477.

• Deep Ocean Neutrino Sciences では、ワークショップへの参考資料やリンクとともに、深海の地質ニュートリノ検出プロジェクトについて説明します。
• ニュートリノ地球科学 2015 カンファレンスでは、地球ニュートリノ科学のほぼすべての分野を網羅した専門家によるプレゼンテーションが行われます。このサイトには、以前の「ニュートリノ地球科学」会議へのリンクも含まれています。
• Geoneutrinos.org は、地球上のどこでもジオニュートリノ スペクトルを表示したり (「原子炉」タブを参照)、地球規模のジオニュートリノ モデルを操作したり (「モデル」タブを参照) できるインタラクティブな Web サイトです。