ニュートリノ検出器

反ニュートリノは、 1956年にサバンナ川原子力発電所付近で行われたコーワン・レインズ・ニュートリノ実験で初めて検出されました。フレデリック・レインズとクライド・コーワンは、塩化カドミウム水溶液を含む2つの標的を使用しました。2つのシンチレーション検出器が水標的の隣に設置されました。1.8 MeVの閾値を超えるエネルギーを持つ反ニュートリノは、水中の陽子と荷電電流「逆ベータ崩壊」相互作用を起こし、陽電子と中性子を生成します。生成された陽電子は電子と対消滅し、それぞれ約0.5 MeVのエネルギーを持つ同時発生光子のペアを生成します。これらの光子は、標的の上下に設置された2つのシンチレーション検出器で検出されました。中性子はカドミウム原子核に捕獲され、陽電子対消滅イベントからの光子の数マイクロ秒後に、約8 MeVの遅延ガンマ線が検出されました。

この実験は、反ニュートリノの存在を証明するために、コーワンとライネスによって反ニュートリノ特有のシグナルを与えるように設計された。実験の目的は、反ニュートリノの総フラックスを測定することではなかった。検出された反ニュートリノはすべて、使用された反応チャネルの閾値である1.8 MeVを超えるエネルギーを持っていた（1.8 MeVは、陽子から陽電子と中性子を生成するのに必要なエネルギーである）。原子炉から放出される反ニュートリノのうち、反応を起こすのに十分なエネルギーを持つのは約3%にすぎない。

より最近建設された、はるかに大型のカムランド検出器は、同様の手法を用いて日本の原子力発電所53基からの反ニュートリノの振動を研究した。より小型だが放射性同位元素の純度が高いボレクシノ検出器は、太陽からのニュートリノスペクトルの最も重要な成分に加え、地球や原子炉からの反ニュートリノを測定することができた。

SNO +実験では、液体シンチレーターとして線状アルキルベンゼンを使用している^{[ 8 ]} 。これは、重水を使用してチェレンコフ光を検出した前身のサドベリー・ニュートリノ観測所とは対照的である（下記参照）。

ブルーノ・ポンテコルヴォが提唱した方法に基づく塩素検出器は、テトラクロロエチレンなどの塩素含有流体で満たされたタンクで構成されています。ニュートリノは、荷電電流相互作用によって塩素-37原子をアルゴン-37原子に変換することがあります。この反応の閾値ニュートリノエネルギーは0.814  MeVです。流体は定期的にヘリウムガスでパージされ、アルゴンが除去されます。その後、ヘリウムは冷却されてアルゴンが分離され、アルゴン原子は電子捕獲放射性崩壊に基づいてカウントされます。サウスダコタ州リード近郊の旧ホームステーク鉱山にある塩素検出器は、520ショートトン（470メトリックトン）の流体を収容し、太陽ニュートリノを初めて検出し、太陽からの電子ニュートリノの不足を初めて測定しました（太陽ニュートリノ問題を参照）。  

 同様の検出器設計で、検出閾値が0.233 MeVと大幅に低いものもあり、低エネルギーニュートリノに感度を持つガリウム（Ga）→ゲルマニウム（Ge）変換を利用しています。ニュートリノはガリウム71原子と反応し、不安定同位体であるゲルマニウム71原子に変換します。その後、ゲルマニウムは化学的に抽出・濃縮されます。このようにして、ゲルマニウムの放射性崩壊を測定することでニュートリノが検出されました。

後者の方法は、Ga → Ge → Ga反応シーケンスを冗談めかして「アルザス・ロレーヌ」技術と呼ばれている。 ^{[ c ]}

ロシアのSAGE実験では約50トンのガリウムが、イタリアのGALLEX / GNO実験では約30トンのガリウムが反応物質として使用された。ガリウムの価格は非常に高額であるため、この実験を大規模に実施することは困難である。そのため、より大規模な実験では、より安価な反応物質を用いるようになっている。  

放射化学的検出法はニュートリノの数を数えるのにしか役立たず、ニュートリノのエネルギーや進行方向に関する情報はほとんど得られない。

「リングイメージング」チェレンコフ検出器は、チェレンコフ光と呼ばれる現象を利用しています。チェレンコフ放射は、電子やミューオンなどの荷電粒子が、特定の検出器媒体中をその媒体中の光速よりもやや速く移動するときに発生します。チェレンコフ検出器では、水や氷などの透明な物質の大きな体積が、光に敏感な光電子増倍管で囲まれています。十分なエネルギーで生成され、このような検出器を通過する荷電レプトンは、検出器媒体中の光速よりもやや速く移動します（ただし、真空中の光速よりはやや遅くなります）。荷電レプトンは、チェレンコフ放射の目に見える「光学的衝撃波」を生成します。この放射は光電子増倍管によって検出され、光電子増倍管アレイに特徴的なリング状の活動パターンとして現れます。ニュートリノは原子核と相互作用して荷電レプトンを生成し、それがチェレンコフ放射を放出するため、このパターンを利用して入射ニュートリノの方向、エネルギー、そして（場合によっては）フレーバー情報を推測することができる。

このタイプの水充填型検出器 2 台 (カミオカンデとIMB ) は、超新星SN 1987Aからのニュートリノ バーストを記録しました。^{[ 9 ] [ d ]}科学者たちは、大マゼラン雲内の星の爆発から19 個のニュートリノを検出しました。これは、超新星から放出された10 ^{57個のニュートリノのうちの 19 個だけです。 [ 1 ] [ e ]}カミオカンデ検出器は、この超新星に関連するニュートリノ バーストを検出することができ、1988 年に太陽ニュートリノの生成を直接確認するために使用されました。このような検出器の中で最大のものは、水充填型のスーパーカミオカンデです。この検出器は、地下1 kmに埋設された 11,000 個の光電子増倍管に囲まれた50,000トンの純水を使用しています。    

サドベリー・ニュートリノ観測所（SNO）では、直径12メートルのアクリル樹脂製の容器に1,000 トンの超純重水が封入され、その周囲を直径22メートル、高さ34メートルの超純水が入った円筒で囲んだ構造になっている。^{[ 7 ] [ f ]}通常の水中検出器で観測されるニュートリノ相互作用に加えて、ニュートリノは重水中の重水素を分解することができる。結果として生じた自由中性子はその後捕獲され、検出可能なガンマ線のバーストを放出する。この解離反応には、3種類のニュートリノすべてが等しく関与する。   

MiniBooNE検出器は、検出媒体として純粋な鉱物油を使用しています。鉱物油は天然のシンチレーターであるため、チェレンコフ光を生成するのに十分なエネルギーを持たない荷電粒子でもシンチレーション光を生成します。水中では見えない低エネルギーのミューオンや陽子も検出可能です。このようにして、自然環境を測定媒体として利用する手法が生まれました。

地球に入射するニュートリノ束はエネルギーの増加とともに減少するため、ニュートリノ検出器のサイズも大きくする必要がある。^{[ 10 ]}数千個の光電子増倍管で覆われたキロメートルサイズの立方体検出器を地下に建設するのは法外な費用がかかるが、この規模の検出体積は、既存の天然の水や氷の層の奥深くにチェレンコフ検出器アレイを設置することで実現でき、他にもいくつかの利点がある。第一に、数百メートルの水や氷が検出器を大気中のミューオンから部分的に保護する。第二に、これらの環境は透明で暗く、微弱なチェレンコフ光を検出するために不可欠な条件である。実際には、カリウム40の崩壊のため、深淵でさえ完全に暗くはないため、この崩壊をベースラインとして使用する必要がある。^{[ 11 ]}

 地中海の水深約2.5kmに位置するANTARES望遠鏡（ニュートリノ望遠鏡と深海環境研究による天文学）は、2008年5月30日から完全に稼働している。この検出器は、70メートル間隔で配置された12本の独立した長さ350メートルの垂直検出器ストリング のアレイで構成され、各ストリングには75個の光電子増倍管光学モジュールが搭載されており、周囲の海水を検出器媒体として使用している。次世代深海ニュートリノ望遠鏡KM3NeTは^、総計約5km³の計測器容積を持つ。検出器は地中海の3つの設置場所に分散される。望遠鏡の第1段階の実施は2013年に開始された。    

南極ミューオン・ニュートリノ検出器アレイ（AMANDA）は1996年から2004年まで運用されました。この検出器は、南極点付近の南極氷河 内部に深く（1.5～2 km）埋設されたストリングに設置された光電子増倍管を使用していました。氷自体が検出器の媒体です。入射ニュートリノの方向は、それぞれ1つの光電子増倍管を含む検出器モジュールの3次元アレイを使用して個々の光子の到着時間を記録することによって決定されます。この方法により、約2度の空間分解能で50 GeVを超えるニュートリノを検出できます。AMANDAは、地球外ニュートリノ源の探索や暗黒物質の探索のために、北天のニュートリノマップを作成するために使用されました。AMANDAはIceCube観測所にアップグレードされ、最終的に検出器アレイの体積は1立方キロメートルに増加しました。^{[ 12 ]}アイスキューブは、南極の地下深く、完全に透明で気泡のない古代の氷の1立方キロメートルの中にあります。AMANDAと同様に、ニュートリノが氷や水の原子と相互作用するという極めてまれな場合に放出される光のちらつきを検出することに依存しています。^{[ 12 ]}  

電波氷チェレンコフ実験では、アンテナを使用して南極の高エネルギーニュートリノからのチェレンコフ放射を検出します。南極インパルス過渡アンテナ（ANITA）は、南極上空を飛行する気球搭載装置で、宇宙の超高エネルギーニュートリノが氷の下を通過する際に発生するアスカリアン放射を検出します。このアスカリアン放射は、二次荷電粒子のシャワーを生成し、電磁スペクトルの電波またはマイクロ波領域でコヒーレント放射の円錐を放出します。現在、グリーンランド電波ニュートリノ観測所が建設中で、氷中のアスカリアン効果を利用して10 PeVを超えるエネルギーのニュートリノを検出します。^{[ 13 ]}

MINOS検出器のようなトラッキングカロリメータは、吸収材と検出器材を交互に配置した構造を採用している。吸収材は検出器の質量を担い、検出器はトラッキング情報を提供する。吸収材としては、比較的密度が高く安価で、磁化できるという利点を持つ鋼がよく用いられる。検出器には、液体またはプラスチックシンチレータが用いられることが多く、光電子増倍管で読み出されるが、様々な種類の電離箱も使用されている。

NOνAの提案^{[ 14 ]}では、吸収面をなくして非常に大きなアクティブ検出器体積を使用することを提案している^{[ 15 ] 。}

トラッキングカロリメータは、高エネルギー（GeV範囲）ニュートリノにのみ有効です。これらのエネルギーでは、中性カレントの相互作用はハドロン残骸のシャワーとして現れ、荷電カレントの相互作用は荷電レプトンの飛跡（場合によっては何らかのハドロン残骸とともに）の存在によって識別されます。

荷電電流相互作用で生成されたミューオンは、長く貫通する飛跡を残し、容易に検出できます。このミューオン飛跡の長さと磁場内での曲率により、エネルギーと電荷（μ ⁻対μ ⁺検出器内の電子は電磁シャワーを生成し、アクティブ検出器の粒度がシャワーの物理的な広がりに比べて小さい場合、このシャワーはハドロンシャワーと区別できます。タウレプトンはほぼ瞬時に別の荷電レプトンまたはパイ中間子に崩壊するため、この種の検出器では直接観測できません。（タウを直接観測するには、通常、写真乳剤中の飛跡の折れ曲がりを探します。）

低エネルギーでは、ニュートリノは個々の核子ではなく原子核全体から散乱することがあり、この過程はコヒーレント中性電流ニュートリノ-原子核弾性散乱またはコヒーレントニュートリノ散乱として知られています。^{[ 16 ]} この効果は、非常に小さなニュートリノ検出器を作るために使用されています。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}他のほとんどの検出方法とは異なり、コヒーレント散乱はニュートリノのフレーバーに依存しません。