Credit: KamLAND Collaboration

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Credit: KamLAND Collaboration

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「改造前のカムランド・エリア」

カムランド建設前の坑道内の図です。 カムランドは、カミオカンデがあった場所に建設されました。このカミオカンデでの実験成果を元に小柴先生が、２００２年度のノーベル物理学賞を授賞されました。

「カムランド空洞」

カミオカンデ撤去後の空洞の写真です。 直径が２０メートル、高さ２５メートルほどあります。６回建てのビルがすっぽり入ります。カムランド完成後は、直径１８メートルのタンクが設置され、外の部分は、水で満たされることになります。

底部から天球部を眺めた画像です。

「１７インチ光電子増倍管の開発・準備」

このカエルの目玉のようなものが世界最大の光電子増倍管（微弱な光を検出する装置）です。光の粒子一個一個を区別することができ、十億分の一秒の時間も区別することが出来る優れものです。

この開発技術は、日本だけで浜松にある探究心旺盛で利潤追求後回しの企業精神があればこそ誕生したともいえます。

「カムランド実験エリア」

というわけでカムランドエリアが完成しました。

カムランドのニュートリノ検出器ってどんなもの？


ニュートリノのはどうやってつかまえるの？

　ニュートリノは、とても小さい素粒子です。あまり小さすぎて、今までその大きさを計ることは出来ていません。　ニュートリノの力も非常に弱いものです。とても弱いために、地球でも太陽でも突き抜けてしまいます。

　それでは、どうやればニュートリノを捕まえることが出来るのでしょうか？

　カムランドでは、原子炉から発生するニュートリノ（正確には、反電子ニュートリノ： と書きます。以後は、簡単のため単にニュートリノと呼ぶことにします。）を液体シンチレーターと呼ばれる油で検出します。シンチレーターとは、「螢光を発する物」という意味で、その中で素粒子反応が生じると、青い光を出します。 ニュートリノが液体シンチレーターの中に入ると、その中の陽子（プロトン：pと書きます）と衝突して、電子の反粒子である陽電子（ポジトロン：e+と書きます）に変身させて検出します。この時、陽子は中性子（ニュートロン：nと書きます）に変身します。　反応式で書くと、下のようになります。



　これは、「反電子ニュートリノが陽子と衝突して、陽電子と中性子ができる」ということを表します。

　ニュートリノそのものは、検出器を通過しても信号を出しませんが、この反応で、ニュートリノが変身して出来た陽電子は電気をもっているので、検出器内で信号を出すことが出来るのです。 この反応が起きる確率は、とても小さくて、たとえば、10cm×10cm×10cm (＝１リットル)の液体シンチレーターにニュートリノを１億個入れたとしても、その中で反応が起きる確率は、0.000000001%です。

　こんなに小さい確率でも、ニュートリノの数が沢山あって、液体シンチレーターの量を多くして、長い時間待てば、なんとか、ニュートリノの反応を見ることが出来るわけです。カムランド検出器では、大きさが10メートル程度、重さが千トンの液体シンチレーターを用います。この中には、原子炉から来るニュートリノが、１秒間に１兆個入ってきます。１日（約10万秒）くらい待てば、１回程度の反応が生じることになります。

　さて、実際に原子炉から飛んで来るニュートリノの数を元にして、反応の数を正確に計算すると、１日に2.5個程度の反応が生じることが理論的に予想されています。これを実際に計ってみて、もしこのニュートリノの反応数が、この予想よりも少なければ、反電子ニュートリノの振動現象の発見という大発見に繋がるのです。これは、又、ミューニュートリノに質量があり、ニュートリノが量子力学的に混合しているということの証拠でもあります。



KamLAND の概要

超低エネルギー・ニュートリノ、反ニュートリノ望遠鏡により、素粒子、宇宙、地球の奥底を覗く



研究概要

　素粒子物理学による物質の根源や自然法則の根本原理の探究及び宇宙物理学による宇宙の起源・進化・終焉の探究は、有史来、人類に課せられた課題である。そして、この課題を究明すべく素粒子物理学の実験的研究は、大型加速器を用いた超高エネルギー現象や、地下に設置した大型検出器による、超低エネルギー現象を研究する、両極端のエネルギー・フロンティアをを目指す方向に進んでいる。本研究は、この一端である超低エネルギー・フロンティアを先導するもので、超微弱な素粒子、特にニュートリノや反ニュートリノ反応を検出することによって、素粒子物理学並びに密接に関連する宇宙物理学、地球物理学の最重要課題を究明するニュートリノ科学の研究を推進するものである。

< 研究目的 >

原子炉反ニュートリノ振動の検出によるニュートリノ質量の測定
(敦賀や柏崎の原子力発電所からの反ニュートリノを検出して、ニュートリノの質量を測定する。)

宇宙反ニュートリノの検出による宇宙構造形成機構の解明
(100億年前から現在までに起こった超新星爆発に伴う反ニュートリノを検出する。)

原子核の二重ベータ崩壊の検出によるニュートリノ質量の測定
(原子核中で稀に起こる2回連続したベータ崩壊を検出して、ニュートリノの質量を測定する。)

宇宙暗黒物質粒子の検出による宇宙進化・終焉の謎の解明
(宇宙の90%以上の物質を構成し、宇宙を浮遊している暗黒物質を検出する。)

地球内部反ニュートリノの検出による地球内部エネルギー量の謎の解明
(地球内部に存在する放射性物質から生成される反ニュートリノを検出する。)

太陽ニュートリノの検出による「消えた太陽ニュートリノの謎」の解明
(太陽内部に存在するベリリウムとボロンから生成される2種類の太陽ニュートリノを検出する。)


<研究方法>

　これらの研究を遂行するために、液体シンチレータが持つ大発光特性と反ニュートリノ現象の識別能力を利用して、1000トン液体シンチレータ検出器を建設する。そして、岐阜県神岡町の神岡鉱山の地下1000mにある3000トン陽子崩壊実験装置を、新技術の導入によって世界で例のない極低放射能環境空間に改善し、この環境空間内に1000トン液体シンチレータ検出器を設置する。この方法によって、これまで実現しなかった100キロ電子ボルトまでの超低エネルギー素粒子、ニュートリノ反応の検出を可能にする。


<波及効果>

　本研究装置内の1000トン液体シンチレータ検出器内は世界で例のない、地表における環境放射能の1億分の1から100億分の1の極低放射能環境空間に改善される。そして、これまで環境放射能に邪魔されて検出が不可能であった微弱現象の検出が可能になり、素粒子物理学、宇宙物理学、地球物理学の他にも新しい研究領域が開拓される。特に、生物発光や細胞発光等の微弱発光現象の検出、生体や物質中の微量放射性元素の検出は、工学、生物学、核医学の基礎及び応用研究に新しい研究手段を提供するものと期待される。