コーワン・ラインズニュートリノ実験

コーワン・ラインズニュートリノ実験は、1956年に物理学者クライド・コーワンとフレデリック・ラインズによって実施されました。この実験により、ニュートリノの存在が確認されました。ニュートリノは、電荷を持たず質量が非常に小さい亜原子粒子であり、 1930年代にはベータ崩壊過程に不可欠な粒子であると推測されていました。質量も電荷もないため、このような粒子を検出することは不可能と思われていました。この実験では、近くの原子炉から放出される（当時は仮説上の）電子反ニュートリノの膨大な量と、大きな水槽で構成された検出器を利用しました。ニュートリノと水の陽子との相互作用が観測され、この粒子の存在と基本的特性が初めて検証されました。

1910 年代から 1920 年代にかけて、原子核のベータ崩壊で生じた電子の観測により、そのエネルギーは連続的に分布していることがわかった。もしこの過程に原子核と電子だけが関与していたとしたら、電子のエネルギーは連続的なエネルギー スペクトルではなく、単一の狭いピークを持つことになる。結果として生じた電子だけが観測されたため、その変化するエネルギーはエネルギーが保存されない可能性があることを示唆していた。^[1]この難問とその他の要因から、ヴォルフガング パウリは1930 年にニュートリノの存在を仮定してこの問題を解決しようとした。エネルギー保存の基本原理が保存されるためには、ベータ崩壊は 2 体崩壊ではなく 3 体崩壊でなければならなかった。そのためパウリは、電子に加えて、ベータ崩壊で原子核から別の粒子が放出されると示唆した。この粒子、ニュートリノは質量が非常に小さく、電荷を持たなかった。ニュートリノは観測されなかったが、失われたエネルギーを運んでいた。

パウリの提案は、 1933年にエンリコ・フェルミによってベータ崩壊の理論として提案された。^{[2] [3]}この理論は、ベータ崩壊のプロセスは4つのフェルミオンが直接相互作用することで構成されていると仮定している。この相互作用により、中性子は電子、推定 ニュートリノ（後に反ニュートリノであると判明）、および陽子に直接崩壊する。^[4]驚くほど成功したことが証明されたこの理論は、仮説上のニュートリノの存在に依存していた。フェルミは最初、ベータ崩壊の「暫定的な」理論をネイチャー誌に投稿したが、ネイチャー誌はそれを「現実からかけ離れた推測を含んでおり、読者の興味を引かない」という理由で却下した。[ ^5]

ニュートリノ予想とフェルミの理論の問題点は、ニュートリノは他の物質と非常に弱い相互作用しか持たないと思われるため、観測されることはないということである。1934年の論文で、ルドルフ・パイエルスとハンス・ベーテは、ニュートリノはいかなる物質とも相互作用することなく地球を容易に通過できると計算した。^{[6] [7]}

逆ベータ崩壊により、予測されるニュートリノ、より正確には電子反ニュートリノ（）は陽子（${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$
p
）を生成して中性子（
ん
) と陽電子( )、 ${\displaystyle e^{+}}$

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

この反応が起こる可能性は小さい。任意の反応が起こる確率は、その断面積に比例する。コーワンとレインズは、反応の断面積が約6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ²。原子核物理学における断面積の通常の単位はバーンであり、1 × 10 ⁻²⁴  cm ²と20桁も大きくなります。

ニュートリノ相互作用の確率は低いものの、相互作用の痕跡は独特で、稀な相互作用の検出は可能である。電子の反物質である陽電子は、近くの電子とすぐに相互作用し、互いに消滅する。その結果生じる2つのガンマ線（
γ
）が検出可能です。中性子は適切な原子核に捕獲され、3 番目のガンマ線を放出することで検出できます。陽電子消滅と中性子捕獲イベントの同時発生により、反ニュートリノ相互作用のユニークな特徴が得られます。

水分子は酸素原子 1 個と水素原子2 個で構成され、水の水素原子のほとんどは原子核として陽子 1 個を持っています。これらの陽子は反ニュートリノの標的となるため、単純な水が主要な検出物質として機能します。水素原子は水中で非常に弱く結合しているため、ニュートリノの相互作用では自由陽子と見なすことができます。ニュートリノとより重い原子核、つまり複数の陽子と中性子を持つ原子核との相互作用メカニズムは、構成陽子が原子核内で強く結合しているため、より複雑です。

ニュートリノ1個と陽子が相互作用する可能性は低いため、ニュートリノを観測するには膨大なニュートリノフラックスが必要だった。1951年初め、当時ニューメキシコ州ロスアラモスの科学者だったコーワンとレインズは、当時行われていた核兵器実験によるニュートリノバーストが必要なフラックスを提供できると当初考えていた。 ^[8]ニュートリノ源として、彼らは原子爆弾の使用を提案した。これには研究所長のノリス・ブラッドベリーから許可を得た。計画は「日本の広島に投下されたものに匹敵する20キロトンの核爆弾」を爆発させることだった。検出器は爆発の瞬間に爆発場所から40メートル離れた穴に落とされ、「最大のフラックスを捉える」ことが提案され、「エル・モンストロ」と名付けられた。^{[9]最終的に、ロスアラモス物理学部長のJMB・ケロッグの助言により、彼らは}原子炉をニュートリノ源として使用した。原子炉のニュートリノの量は毎秒5 × 10 ^{13ニュートリノ/平方センチメートル[10]であり、他の}放射性源から得られるニュートリノのフラックスよりもはるかに高い。2つの水槽からなる検出器が使用され、水中の陽子に膨大な数の潜在的なターゲットが提供される。

ニュートリノが水中の陽子と反応する稀なケースでは、中性子と陽電子が生成されます。陽電子消滅によって生成された2つのガンマ線は、液体シンチレータで満たされたタンクの間に水槽を挟むことで検出されます。シンチレータ材料はガンマ線に反応して閃光を発し、この閃光は光電子増倍管によって検出されます。

ニュートリノ相互作用による中性子の追加検出により、確実性がさらに高まりました。コーワンとレインズは、タンクに塩化カドミウム(CdCl _{2 ) を溶解して中性子を検出しました。}カドミウムは、非常に効果的な中性子吸収剤であり、中性子を吸収するとガンマ線を放出します。

ん
+¹⁰⁸
CD
→^{109メートル}
CD
→¹⁰⁹
CD
+
γ

この配置は、ニュートリノ相互作用イベントの後に、陽電子消滅からの 2 つのガンマ線が検出され、その後数マイクロ秒後にカドミウムによる中性子吸収からのガンマ線が検出されるようなものでした。

コーワンとレインズが考案した実験では、合計約 200 リットルの水と約 40 kg の溶解した CdCl ₂を入れた 2 つのタンクが使用されました。水タンクは110 本の 5 インチ (127 mm)光電子増倍管を含む 3 つのシンチレーター層に挟まれていました。

1953年、コーワンとライネスは「ヘル・オーゲ」（ドイツ語で「ミスター・アイ」）と名付けた検出器を製作した。彼らは「ニュートリノの幽霊のような性質」にちなんで、ニュートリノ探索実験を「ポルターガイスト計画」と呼んだ。予備実験は1953年にワシントン州のハンフォードサイトで行われたが、1955年後半に実験はサウスカロライナ州エイキン近郊のサバンナリバープラントに移された。^{[11] [12] [13]サバンナリバーサイトは}宇宙線に対する遮蔽がより強かった。この遮蔽された場所は原子炉から11メートル、地下12メートルにあった。

数か月にわたるデータ収集の後、蓄積されたデータから、検出器内で 1 時間あたり約 3 回のニュートリノ反応が示されました。上記の検出スキームからニュートリノイベントが観測されていることを絶対に確認するため、コーワンとラインズは原子炉を停止し、検出されたイベントの速度に違いがあることを示しました。

彼らは、反応の断面積がおよそ6 × 10 ⁻⁴⁴  cm ²で、測定された断面積は6.3 × 10 ⁻⁴⁴  cm ²。この結果は1956年7月20日発行のサイエンス誌に掲載されました。^{[14] [15]}

クライド・コーワンは1974年に54歳で亡くなりました。1995年、フレデリック・ライネスはニュートリノ物理学の研究によりノーベル賞を受賞しました。^[7]

ニュートリノ研究に水ベースの巨大な検出器を採用するという基本戦略は、その後のいくつかの実験で活用され、 ^[7]アーバイン・ミシガン・ブルックヘブン検出器、カミオカンデ、サドベリーニュートリノ観測所、ホームステイク実験などが含まれる。ホームステイク実験は、太陽中心核の核融合からニュートリノを検出した現代の実験である。これらの観測所は、 1987年に超新星 SN 1987Aからのニュートリノバーストを検出し、ニュートリノ天文学の誕生を告げた。太陽ニュートリノの観測を通じて、サドベリーニュートリノ観測所はニュートリノ振動の過程を実証することができた。ニュートリノ振動は、ニュートリノが質量を持たないわけではないことを示しており、これは素粒子物理学における大きな発展である。^[16]

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• 素粒子

• コーワンとライネスのニュートリノ実験
• 中性子の崩壊
• ベータ崩壊
• 電子ニュートリノと反ニュートリノ
• コーワンとラインズの実験: ポルターガイスト、ハンフォード、サバンナ川
• クライド・L・コーワン博士によるニュートリノ（ノーベル賞受賞実験に関する講演）