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地球ニュートリノの検出

http://www.nature.com/news/detectors-zero-in-on-earth-s-heat-1.12707

検出器が地球の熱に照準を合わせる



地球ニュートリノはマントル深部のプロセスを描き出す。

Alexandra Witze
02 April 2013


カムランド(KamLAND)検出器は100個以上の地球ニュートリノを検知している。
KamLAND/LBNL


日本の原子炉が福島の災害のあとに停止した2011年に、地球深部への窓が思いがけず開いた。停止の前は、日本の神岡にあるカムランド(KamLAND)という名前の地下の粒子検出器は、これらの捕らえるのが難しい亜原子粒子の手がかりを求めて、何十基もの付近の原子炉から流れるニュートリノの激流を観測していた。それらの発電所が沈黙した後に、カムランドの科学者たちは、地球内部で作られるニュートリノの微かな筋という、ほとんど隠れて見えなかったシグナルをよりはっきり見ることができた。

ニュートリノは星、原子炉、および地球の地殻とマントルの深部で、ウランやトリウムなどの元素の放射性崩壊によって生成される。カムランドはこれらの「地球ニュートリノ」の最初の試験的検出を2005年に報告した(引用1)。しかし先月、日本の高山での会議でカムランドの科学者たちは、それらを有意な量で観測したことを報告した――イタリア、ラクイラの近くにあるグランサッソ国立研究所のボレクシノ(Borexino)ニュートリノ検出器のチームが行ったように。

これらの検出は好奇心をそそられるだけではない。地球ニュートリノは地球の内部熱源の一つを計測する唯一の手段をもたらす。深い鉱山にあるセンサーで測定され47テラワット(TW)の仕事に達する、総熱流がプレートテクトニクスから地球の磁場までのすべてを駆動している。そのうちの一部が放射性元素の崩壊によって生じ、残りは地球が惑星の原材料の荒々しい衝突によって形成されたときから持ち越された初源熱である。

しかし誰もその比率を知らない。地質学者たちは地球が特定の原始的隕石と同じ量の放射性元素を含むと仮定しているが、彼らは確信しているわけではない。「我々は地球がどのように構築されたのかを理解しようと試みたところだ」とメリーランド大学(カレッジ・パーク)の地質学者、ウィリアム・マクドノー(William McDonough)は話す。

ともに他のニュートリノ研究の副研究として地球ニュートリノを検知する、カムランドとボレクシノに入ってみよう。両方の装置は液体シンチレーター検出器を使う。そこでは、莫大な容器の液体がときおり通過するニュートリノが液体中の原子核と相互作用するときの閃光を捕らえる。

イタリアアルプスの地下に埋められた300トンの液体を含む容器である、ボレクシノのチームは、2007年12月から2012年8月までのあいだに14個の地球ニュートリノ候補を捕らえた(引用2)。1000トンの液体のカムランドの科学者たちは、2002年3月から2012年11月までのあいだに116個の地球ニュートリノかもしれないものを検出したという(引用3)。それは研究者たちが地球のマントルの組成についての結論を導き始めるのにちょうど十分だ、とマクドノーは話す。ウランとトリウムがマントル中に一様に広がっていると仮定すると、カムランドの結果は47 TWのうちの約11 TWがそれらの元素の放射性崩壊によって生じることを示す。ボレクシノについての同様の計算は約18 TWと出ている。

究極的には、地球ニュートリノの研究者たちは複数の検出器を地球の周囲に間隔を空けて置き、マントルについてトモグラフィの一種を実行できるようにしたいと思っている。それは科学者たちが、ウランとトリウムがマントルを通して広がっているのに調和的なモデルと、これらの元素が核-マントル境界の付近に集中しているというモデルを見分ける助けになるだろう。そのような違いは、プレートテクトニクスなどの地質学的プロセスを駆動するだけの熱が、どこでどれだけ長く流れ続けるのか――そしてそれが地球を冷たくするのにどれだけかかるか――を決める助けになるだろう。


Sources: Ondřej Šrámek, Univ. Maryland; Barbara Ricci; INFN

一つの困難は大陸地殻の中の地表のすぐそばのウランとトリウムからの放射が、地球深部から来る地球ニュートリノのシグナルを覆い隠してしまうことだ(「海の下」参照)。たとえば来年、装置を追加したサドベリー・ニュートリノ観測所(SNO、カナダ、オンタリオ州)が地球ニュートリノへの感度を高くした780トンの検出器でデータを取り始める。しかしSNO+(更新はこのように呼ばれる)は、大陸地殻の中部にばっちり収まっている。地殻とマントルの地球ニュートリノを分離することが重要だ、とハワイ太平洋大学(ホノルル)の物理学者、スティーヴ・ダイ(Steve Dye)は話す。「マントルこそが地球の冷却の比率に寄与しているもの」だからだ。

ダイらによると、マントル地球ニュートリノを捕らえる最善の方法は、地殻が陸地より薄い、海底からになるという。ハノハノ(Hanohano)と名づけられた一つの案は、はしけから10,000トンの検出器を沈めるというもので、何年も計画の段階にとどまっている。建設単独で約5000万から6000万米ドルの費用がかかるだろう、とハワイ大学マノア校(ホノルル)のニュートリノ物理学者、ジョン・ラーンド(John Learned)は話しているし、この技術は野心的だ。

「我々は今までこのようなことをやったことがない」と彼は話す。しかしこの計画への関心は高まっていて、支持者たちはそれを稼働し続けるだけの資金を獲得しようと試みている、と彼は続ける。

いっぽうで、中国は大亜湾Ⅱ(Daya Bay II)実験を動かしている。これは陸上の20,000トンの検出器で2019年に地球ニュートリノを捕らえることができるだろう。ボレクシノは少なくとももう4年間動かす資金がある。そしてカムランドは少なくとももう5年間動かし続ける計画だ、とチームメンバーで東北大学(日本、仙台)の渡辺寛子は話す。日本の原子炉が再開した後であっても、検出器は地球ニュートリノを見つけられる――今ほど簡単ではないが。

Nature News
Detectors zero in on Earth’s heat
Alexandra Witze, 02 April 2013
Nature 496, 17 (04 April 2013)
doi:10.1038/496017a
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