神岡液体シンチレータ反ニュートリノ検出器

北緯36°25′21″ 東経137°18′55″ / 北緯36.4225° 東経137.3153° / 36.4225; 137.3153 ^{[1] : 105} 神岡液体シンチレータ反ニュートリノ検出器（カムランド）は、岐阜県飛騨市にある地下ニュートリノ検出施設である神岡宇宙素粒子研究施設の電子反ニュートリノ検出器です。この装置は、日本アルプスの古い神岡非破壊検査空洞の坑道に設置されています。東京大学の一部である神岡宇宙素粒子研究施設にありますが、このプロジェクトは東北大学のチームによって行われています。敷地は、53基の日本の商業用原子炉に囲まれています。原子炉は、核燃料内の放射性核分裂生成物の崩壊中に、電子反ニュートリノ（ ）を生成します。電球や遠くの星からの光強度のように、等方的に放出されるフラックスは、原子炉からの距離Rが増加するにつれて1/R ^{2で減少します。この装置は}、原子炉から発生する1.8メガ電子ボルト（MeV）の閾値エネルギーを超える反ニュートリノの約25%まで感知し、検出器で信号を生成します。 ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

ニュートリノに質量がある場合、実験では検出できないフレーバーに振動し、電子反ニュートリノのさらなる減光、つまり「消失」につながる可能性があります。カムランドは原子炉から約 180 キロメートルの平均フラックス加重距離に位置しているため、太陽ニュートリノ問題に対する大混合角 (LMA) 解に関連するニュートリノの混合に敏感です。

カムランド検出器の外層は、直径18メートルのステンレス鋼製の容器で構成され、内側には1,879本のフォトマルチプライヤチューブ（17インチが1325本、20インチが554本）が取り付けられています。^[2] 光電陰極の被覆率は34%です。2番目の内層は、直径13 メートルのナイロン製気球に、1,000トンの鉱油、ベンゼン、蛍光化学物質からなる液体シンチレーターを充填。シンチレーターを発しない高度に精製されたオイルは気球に浮力を与え、気球を光電子増倍管から遠ざける緩衝材として機能します。また、オイルは外部からの放射線を遮蔽します。3.2 キロトンの円筒形水チェレンコフ検出器が格納容器を取り囲み、ミューオン拒否カウンターとして機能し、宇宙線や周囲の岩石からの放射能を遮蔽します。

電子反ニュートリノ（
ν
_e）は、1.8 MeV のエネルギー閾値を持つ逆ベータ崩壊反応によって検出されます。陽電子（ ）からの即発シンチレーション光は、入射反ニュートリノエネルギー の推定値を与えます。ここで、 は陽電子の運動エネルギーと消滅エネルギーを含む即発イベントエネルギーです。量 < > は平均中性子反跳エネルギーで、わずか数十キロ電子ボルト（keV）です。中性子は約 200 マイクロ秒（μs）後に水素に捕獲され、特徴的な${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle e^{+}}$${\displaystyle E_{\nu }=E_{プロンプト}+<E_{n}>+0.9MeV}$${\displaystyle E_{prompt}}$ ${\displaystyle e^{+}e^{-}}$ ${\displaystyle E_{n}}$2.2 メガボルト
γ
この遅延同時計数シグネチャは、反ニュートリノを他の粒子によって生成された背景ニュートリノと区別するための非常に強力なツールです。

長い基線によるフラックスの損失を補うために、カムランドは以前の装置に比べて検出容積がはるかに大きくなっています。カムランド検出器は1,000トンの検出質量を使用しており、これはボレクシノなどの同様の検出器の2倍以上の大きさです。しかし、検出器の容積が大きくなると、宇宙線に対する遮蔽も強化する必要があり、検出器を地下に設置する必要があります。 ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

カムランド-ゼン二重ベータ崩壊探索の一環として、2011年に320kgの溶解キセノンを載せたシンチレータのバルーンが検出器の中央に吊り下げられました。 ^[3]キセノンを追加した、よりクリーンな再建バルーンが計画されています。カムランド-ピコは、暗黒物質を探索するためにカムランドにピコ-ロン検出器を設置する計画プロジェクトです。ピコ-ロンは、WIMP-原子核の非弾性散乱を観測する放射性純粋NaI(Tl)結晶です。^[4] 検出器の改良が計画されており、光収集ミラーと量子効率の高いPMTが追加されます。

カムランドは2002年1月17日にデータ収集を開始した。最初の結果はわずか145日間のデータを使用して報告された。^[5]ニュートリノ振動がなければ、86.8 ± 5.6イベントが予測されましたが、観測されたのは 54 イベントのみでした。カムランドは 515 日間のデータサンプルでこの結果を確認しました。 ^[6]振動がない場合、365.2 イベントが予測され、258 イベントが観測されました。これらの結果により、反ニュートリノ消失が非常に有意に確立されました。

カムランド検出器は反ニュートリノ率を計数するだけでなく、そのエネルギーも測定する。このエネルギースペクトルの形状は、ニュートリノ振動仮説の調査に使用できる追加情報を含んでいる。2005年の統計分析は、スペクトルの歪みが無振動仮説および2つの代替消失メカニズム、すなわちニュートリノ崩壊モデルとデコヒーレンスモデルと一致しないことを示している。^{[7] [要出典]これは2ニュートリノ振動と一致しており、フィッティングによりΔm 2}およびθパラメータの値が得られる。カムランドはΔm ^2を最も正確に測定し、太陽実験はカムランドのθ測定能力を超えているため、最も正確な振動パラメータは太陽の結果と組み合わせることで得られる。このような組み合わせのフィッティングにより 、およびが得られ、これは当時最高のニュートリノ振動パラメータ決定値である。それ以来、3ニュートリノモデルが使用されている。 ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7.9_{-0.5}^{+0.6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$${\displaystyle \tan^{2}\theta =0.40_{-0.07}^{+0.10}}$

精密な複合測定は2008年^[8]と2011年に報告された: ^[9]

${\displaystyle \Delta m_{21}^{2}=7.59\pm 0.21\cdot 10^{-5}\,{\text{eV}}^{2},\,\,\tan ^{2}\theta _{12}=0.47_{-0.05}^{+0.06}}$

カムランドは2005年に地質学的に生成された反ニュートリノ（いわゆる地球ニュートリノ）の調査も発表した。これらのニュートリノは地球の地殻とマントルにおけるトリウムとウランの崩壊で生成される。^[10]少数の地球ニュートリノが検出され、これらの限られたデータを使用してU/Thの電波出力を60TW未満に制限した。

2011年にボレクシノとの組み合わせ結果が発表され、^[11] U/Th熱流束が測定されました。

2013年の新たな結果では、日本の原子炉停止によるバックグラウンドの減少の恩恵を受け、 116のイベントを使用してU/Th放射性熱生産をTWに制限することができました^[12]。これは、地球全体のケイ酸塩の組成モデルを制限し、参照地球モデルと一致しています。 ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

^{カムランド・ゼンは、2011年夏にシンチレーター内に設置された風船からの136}キセノンのベータ崩壊を研究するために検出器を使用しています。観測により、ニュートリノのない二重ベータ崩壊の半減期の限界が定められました。1.9 × 10 ²⁵ 年。^[13] 二重ベータ崩壊寿命も測定され、 年であり、他のキセノン研究と一致している。^[3] KamLAND-Zenは、より濃縮されたキセノンと改良された検出器コンポーネントを使用して観測を継続する予定である。 ${\displaystyle 2.38\pm {0.02(\mathrm {stat} )}\pm {0.14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$

2016年8月に改良された検索が公開され、半減期の制限が1.07 × 10 ²⁶ 年、ニュートリノ質量の境界は61～165 meVである。^[14]

最初のカムランド禅装置​​であるカムランド禅400は、フェーズI（2011年10月 - 2012年6月）とフェーズII（2013年12月 - 2015年10月）の2つの研究プログラムを完了した。フェーズIとフェーズIIの統合データから、ニュートリノなしの二重ベータ崩壊の半減期の下限年が示唆された。カムランド禅400は2011年10月から2015年10月まで稼働し、その後カムランド禅800に置き換えられた。^[15]${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$

2番目のカムランド禅実験装置であるカムランド禅800は、約750kgのキセノンを積んだより大きなバルーンを搭載し、2018年5月10日にカムランド検出器に設置されました。運用は2018年から2019年の冬に開始され、5年間の運用が予定されていました。^[16]

KamLAND-Zen 800実験は2019年1月にデータ収集を開始し、最初の結果が2020年に発表されました。^[17] 2022年3月、KamLAND-Zenコラボレーションは、KamLAND-Zen 800を使用して、2019年2月5日から2021年5月8日の間に収集されたデータを使用して、Xe-136のニュートリノなし二重ベータ崩壊に関する結果を発表しました。ニュートリノなし二重ベータ崩壊は観測されず、確立された半減期の下限は、有効マヨラナニュートリノ質量の上限である36〜156 meVに対応するT > yrでした。^[18]${\displaystyle 2.3\times 10^{26}}$

KamLAND-Zen共同研究グループは、長期的には 別の装置であるKamLAND2-Zenの構築を計画しています。

• Abe, S; et al. (KamLAND Collaboration) (2008). 「KamLAND によるニュートリノ振動パラメータの精密測定」. Physical Review Letters . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode :2008PhRvL.100v1803A. doi :10.1103/PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415. S2CID  119291217.
• 江口 憲一; 他 (カムランド共同研究) (2004) 「高感度探索
  ν
  _e's from the sun and other source at KamLAND". Physical Review Letters . 92 (7): 071301–071305. arXiv : hep-ex/0310047 . Bibcode :2004PhRvL..92g1301E. doi :10.1103/PhysRevLett.92.071301. PMID  14995837. S2CID  119360978.

• カムランド公式サイト
• ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）のカムランド
• INSPIRE-HEPにおけるカムランド実験記録