巨大な水槽が146km先の原発をとらえる

原子炉は電子反ニュートリノの工場だ。燃料のなかで、核分裂片がベータ崩壊を起こす。原子核のなかの中性子が、陽子、電子、反ニュートリノに変わるのだ。実際、原子炉は史上初めて検出されたニュートリノの源で、1956年のコーワン=ライネスの実験によるものだった。それ以来、原子炉はニュートリノがどのように振動するか、つまり飛びながら種類を変えるかを測るのに役立ってきた。

日本、アメリカ、ヨーロッパ、韓国、中国、カナダなどの約250人の物理学者からなるスーパーカミオカンデ共同研究グループは、自分たちの検出器もそれを見ていると報告した。

もっと大きな獲物のために造られた水槽

スーパーカミオカンデは、日本の神岡鉱山の地下1,000メートルにある5万トンの水チェレンコフ検出器だ。内水槽には3万2,000トンの水が入り、直径20インチの光センサー11,129本が見張っている。速い荷電粒子が水を横切ると、かすかな円錐状の光、チェレンコフ光を放つ。そこから粒子の位置、方向、エネルギーを再構成できる。

ところが原子炉反ニュートリノのエネルギーは、わずか数百万電子ボルトだ。この低エネルギー領域では、単独の閃光は自然放射能や宇宙線の破片に簡単にまぎれてしまう。

ガドリニウムをひとつまみ

決め手は、2拍子の信号だ。反ニュートリノが水のなかの陽子に当たると、すぐに光る陽電子と、さまよって減速し、最後に原子核に捕獲される中性子が生まれる。水素に捕獲されると、中性子は2.2 MeVのガンマ線を1本だけ出す。これは見えにくい。ガドリニウムに捕獲されると、合計約8 MeVのガンマ線を連鎖的に出す。これは見えやすい。

そこで2020年7月、13トンの硫酸ガドリニウムが水に溶かされた(質量比0.011%)。2022年6月にはさらに27トンが加えられた(0.033%)。いまでは中性子の約半分、続いて約4分の3がガドリニウムに捕獲され、その時間はおよそ120マイクロ秒、続いて60マイクロ秒だ。高速のソフトウェア・トリガーが、約2.5 MeVまでの電子をほぼ100%の効率でとらえる。

若狭湾に耳を澄ます

検出器から約200kmのところにいくつかの発電所がある。大半は日本国内で、韓国からもわずかな寄与がある。最も近い稼働中の原発は若狭湾にある。美浜3号機(146km)、大飯3・4号機(179km)、**高浜1〜4号機(191km)**だ。2020年から2023年にかけて、その多くが運転中か再稼働中だった。予想されるフラックスは、国際原子力機関の原子炉データベースを使い、各原子炉の報告された出力から月ごとに計算した。

背景は、地球ニュートリノ(地球自身の放射能による反ニュートリノ)、偶然の同時発生、宇宙線ミューオンが残す放射性の破片から来る。それを測るため、チームは幸運な期間を利用した。2020年11月と12月、若狭湾の主な原子炉は停止中か停止に向かっていた。その2か月のデータはほぼ純粋な背景だ。

解析の対象は、2021年2月から2023年9月までの411.52日の有効観測時間だ。機械学習の分類器と、二つの閃光のあいだの時間(80マイクロ秒未満)と距離(2メートル未満)による選別で、候補となるペアを選び出す。

原子炉に従う信号

月ごとの事象の頻度は原子炉の稼働状況に従い、振動を含めた予測と一致する。原子炉反ニュートリノのない世界は約6シグマの有意性で棄却された。スーパーカミオカンデにおける原子炉反ニュートリノの初観測だ。論文は、選ばれた事象の総数を示していない。

エネルギースペクトルから、チームは二つの振動パラメーターを求めた。sin²θ₁₂ = 0.500 ± 0.155とΔm²₂₁ = (9.08 +0.55/−0.54) × 10⁻⁵ eV²だ。

ニュートリノと反ニュートリノを並べて

スーパーカミオカンデは太陽からのニュートリノも測っている。こちらは反物質ではなく物質だ。両者を比べることは、CPTと呼ばれる物理学の基本的な対称性の検証になる。値の差は、角度で約1.1シグマ、質量差で2.2シグマだ。全体として、二つのデータは1.9シグマの水準で整合している。統計的に有意な違いの兆候はない。両者を合わせると、sin²θ₁₂ = 0.332 (+0.028/−0.026)、Δm²₂₁ = (8.94 +0.46/−0.47) × 10⁻⁵ eV²となる。

Physical Review Lettersに投稿されたこのプレプリントには、一つ食い違いがある。整合性の検定が、本文ではΔχ² = 7.25、付録では7.64とされ、どちらも1.9シグマとされているのだ。著者らは、ガドリニウムを加えた水が、巨大なチェレンコフ水槽を数百万電子ボルトの反ニュートリノの実用的な検出器に変え、このエネルギー領域で将来の測定ができる可能性を開くと結論づけている。