ホームステーク実験

ホームステイク実験（デイビス実験あるいは太陽ニュートリノ実験とも呼ばれ、元の文献ではブルックヘブン太陽ニュートリノ実験あるいはブルックヘブン³⁷ Cl（塩素）実験と呼ばれていた）^[1]は、1960年代後半に天体物理学者レイモンド・デイビス・ジュニアとジョン・N・バーコールが主導した実験であった。その目的は、太陽で起こる核融合によって放出されるニュートリノを収集して数えることであった。バーコールが理論計算を行い、デイビスが実験を設計した。バーコールが検出器がニュートリノを捕捉する速度を計算した後、デイビスの実験ではこの数字の3分の1しか得られなかった。この実験は太陽ニュートリノの検出と数えに成功した最初の実験であり、結果の不一致から太陽ニュートリノ問題が生じた。この実験は1970年から1994年まで継続的に行われ、 1984年にペンシルバニア大学が引き継ぎました。ニュートリノ検出の予測率と測定率の不一致は、後にニュートリノ「フレーバー」振動によるものであることが判明しました。^[2]

実験はサウスダコタ州リードにあるホームステイク金鉱山で行われた。デイビスは、一般的なドライクリーニング液であるペルクロロエチレンの380立方メートル（10万ガロン）のタンクを地下1,478メートル（4,850フィート）に設置した。ニュートリノ捕獲が成功する確率が非常に低く、したがってターゲットの質量が非常に大きいにもかかわらず影響率が非常に低いことを考慮すると、宇宙線からの干渉を防ぐために地下深くに大きなターゲットが必要だった。ペルクロロエチレンが選ばれたのは、塩素を豊富に含んでいるためである。電子ニュートリノとの相互作用により、³⁷ Cl原子は放射性同位元素³⁷ Arに変換され、これを抽出して計数することができる。ニュートリノ捕獲の反応は、

${\displaystyle \mathrm {\nu _{e}+\ ^{37}Cl\longrightarrow \ ^{37}Ar^{+}+e^{-}.} }$

^{反応閾値は 0.814 MeV です。つまり、ニュートリノが37} Cl 原子核に捕獲されるには、少なくともこのエネルギーが必要です。

³⁷ Arの半減期は35日なので、数週間ごとにデイビスはタンクにヘリウムを吹き込み、生成されたアルゴンを集めた。小さな（数立方センチ）ガスカウンターに集められた数十個の³⁷ Ar原子（安定したアルゴンと一緒に）が充填され、その崩壊を検知した。このようにして、デイビスは捕獲されたニュートリノの数を判定することができた。^{[3] [4]}

デイビスの数字は一貫してバーコールの計算の3分の1に非常に近かった。科学界からの最初の反応は、バーコールかデイビスのどちらかがミスを犯したというものだった。バーコールの計算は繰り返しチェックされたが、間違いは見つからなかった。デイビスは自身の実験を精査し、何も問題はなかったと主張した。ホームステイクの実験に続いて、日本のカミオカンデ、旧ソ連のSAGE、イタリアのGALLEX、同じく日本のスーパーカミオカンデ、カナダのオンタリオ州にあるSNO (サドベリーニュートリノ観測所)など、同じ目的の他の実験が行われた。SNOはニュートリノ振動を検出できる最初の検出器であり、太陽ニュートリノ問題を解決した。2001年に発表された実験結果によると、ニュートリノが振動できる3つの「フレーバー」のうち、デイビスの検出器は1つにしか反応しないことが明らかになった。実験が正しかったことが証明された後、デイビスはニュートリノ物理学への貢献により、カミオカンデとスーパーカミオカンデで研究した日本の小柴昌俊とともに2002年のノーベル物理学賞を受賞した（同賞はX線天文学への貢献により リッカルド・ジャコーニとも共同受賞）。

• コーワン・ライネスニュートリノ実験（ライネスとコーワンによる反ニュートリノを発見した以前の実験）
• サンフォード地下研究施設

北緯44°21′12″ 西経103°44′39″ / 北緯44.35333° 西経103.74417° / 44.35333; -103.74417