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KATRINは、トリチウムのベータ崩壊から放出される電子のスペクトルを調べることで、電子反ニュートリノの質量をeV未満の精度で測定する取り組みのドイツ語の頭字語（Ka rlsruhe Tri tium N eutrino Experiment）です。この実験は、 CERNの公認実験（RE14）です。[1] [2]装置の中核は200トンの分光計です。
2015年にこの分光計の試運転測定が完了し、基本的な真空、透過率、背景特性の検証に成功した。[3]実験は2016年10月に試験運転を開始した。2018年6月11日に開所式が行われ、実験による最初のトリチウム測定が行われた（いわゆるファーストトリチウムまたはFT 2週間エンジニアリングラン、2018年半ば）。当時の計画実験期間は5年だった。最初の科学測定（いわゆるファーストキャンペーン）は2019年4月10日に行われた。[4]
2022年2月、実験では90%の信頼度でmν <0.8eVc- 2の上限が発表された。[5] [6]
建設と組み立て
分光計はデッゲンドルフのMAN DWE GmbHによって製造された。カールスルーエからわずか350kmの距離であったが、タンクの大きさのため陸上輸送は不可能であった。[7]代わりに、分光計はドナウ川を下り黒海に至り、地中海と大西洋を通ってロッテルダムに至り、ライン川を遡ってカールスルーエに至った。この8,600kmに及ぶ迂回ルートのため、陸上輸送はレオポルトスハーフェン港から研究所までの 最後の7kmのみに制限された。
建設は順調に進み、2010年までにいくつかの主要コンポーネントが現場に到着した。主な分光計のテストプログラムは2013年に、完全なシステム統合は2014年に予定されていた。[8]実験は、旧カールスルーエ研究センター（現在はカールスルーエ工科大学の北キャンパス）で行われている。
実験
トリチウムのベータ崩壊は、最もエネルギーの低いベータ崩壊の 1 つです。放出される電子とニュートリノが共有するエネルギーは、わずか18.6 keVです。KATRIN は、この総エネルギーに非常に近いエネルギー (わずか数 eV 離れている) で放出される電子の数の非常に正確なスペクトルを生成するように設計されています。これらの電子は、非常に低エネルギーのニュートリノに相当します。ニュートリノが質量のない粒子である場合、ニュートリノが運ぶことができるエネルギーに下限はないため、電子エネルギー スペクトルは 18.6 keV の限界まで広がるはずです。一方、ニュートリノに質量がある場合、ニュートリノは常にその質量に等しい量のエネルギーを少なくともE = m c ²運び去らなければならず、電子スペクトルは総エネルギー限界の手前で低下し、異なる形状になります。
ほとんどのベータ崩壊イベントでは、電子とニュートリノはほぼ同量のエネルギーを持ち去ります。KATRIN が注目するイベントは、電子がほぼすべてのエネルギーを奪い、ニュートリノがほとんどエネルギーを奪わないという非常にまれな崩壊で、1 兆回に 1 回程度発生します。検出器が過負荷にならないように一般的なイベントをフィルタリングするには、電子は、総エネルギー制限より数eV低い特定のしきい値以下のすべての電子を停止する電位を通過する必要があります。電位を通過するのに十分なエネルギーを持つ電子だけがカウントされます。
結果
最初の測定キャンペーン（2019年4月10日～5月13日）の最初の結果は2019年9月13日に発表された。その結果、電子ニュートリノの質量の上限は1.1 eVとされた。[9] [10]
2019年9月現在、この実験では、1年間に65日間のアクティブ測定を含む3回の測定キャンペーンを達成することを目指しています。実験では、目標感度0.2 eV（ニュートリノ質量の上限）に到達するには1000日間の測定が必要であると見積もっています。したがって、最終結果は5～6年後に期待されます。
2022年2月の上限は、前回のキャンペーンと合わせて90% CLでm ν < 0.8 eV c –2です。 [5] [6]
重要性
ニュートリノの正確な質量は、素粒子物理学だけでなく宇宙論にとっても重要です。ニュートリノ振動の観測は、質量を持つニュートリノを支持する強力な証拠ですが、下限値は弱いものしか与えません。[11]
ニュートリノなしの二重ベータ崩壊の観測の可能性とともに、KATRIN は近い将来に重要な成果をもたらす可能性が最も高いニュートリノ実験の 1 つです。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 KATRINに関連するメディアがあります。
- KATRINホームページ
- KATRIN主分光計がカールスルーエに到着（写真）
- KATRIN 設計レポート 2004
- INSPIRE-HEPにおける KATRIN 実験記録
参考文献
- ^ 「CERNで認められた実験」。CERN科学委員会。CERN。2019年6月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年1月20日閲覧。
- ^ 「RE14/KATRIN：カールスルーエトリチウムニュートリノ実験」。CERN実験プログラム。CERN 。 2020年1月20日閲覧。
- ^ Mertens, S.; et al. (KATRIN Collaboration) (2015). 「KATRIN実験の現状とトリチウムβ崩壊におけるkeV質量ステライルニュートリノ探索の展望」Physics Procedia . 62 : 267–273. Bibcode :2015PhPro..61..267M. doi : 10.1016/j.phpro.2014.12.043 .
- ^ www-kam2.icrr.u-tokyo.ac.jp/indico/event/3/contribution/27/material/slides/0.pdf
- ^ abcd KATRINコラボレーション。「サブ電子ボルト感度によるニュートリノ質量直接測定」Nat. Phys. 18、160–166（2022）。doi ： 10.1038 /s41567-021-01463-1
- ^ ab Castelvecchi, Davide (2022年2月14日). 「ニュートリノはどれくらい軽いのか？その答えはかつてないほど近づいている」Nature . doi :10.1038/d41586-022-00430-x. PMID 35165410. S2CID 246827702.
- ^ KATRIN主分光計 2016年11月14日アクセス
- ^ Thümmler, T.; et al. (KATRIN コラボレーション) (2010). 「ニュートリノ質量直接測定と KATRIN の紹介」.核物理学 B: Proceedings Supplements . 229–232: 146–151. arXiv : 1012.2282 . Bibcode :2012NuPhS.229..146T. doi :10.1016/j.nuclphysbps.2012.09.024. S2CID 118585897.
- ^ 「 ニュートリノ、インフルエンザワクチン、そして福島判決」。ネイチャー。573 （7775）：468–469。2019年。Bibcode ： 2019Natur.573..468.. doi ： 10.1038 /d41586-019-02843-7。PMID 31554997。
- ^ Drexlin, Guido; et al. (2019年9月9日～13日). Direct neutrino mass measurement (PDF) . 16th International Conference on Topics in Astroparticle Physics and Underground Physics (TAUP) (全体講演スライド). Toyama, JP. 2021年12月25日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ。2021年10月9日に閲覧– U. Tokyo経由。
- ^ Angus, GW; Shan, HY; Zhao, HS; Famaey, B. (2007). 「暗黒物質の証明、重力の法則、ニュートリノの質量について」.アストロフィジカルジャーナルレター. 654 (1): L13–L16. arXiv : astro-ph/0609125 . Bibcode : 2007ApJ...654L..13A . doi : 10.1086/510738 .
北緯49°05′45″ 東経8°26′10″ / 北緯49.09583° 東経8.43611° / 49.09583; 8.43611