サドベリー・ニュートリノ天文台

サドベリー・ニュートリノ天文台（SNO）

概要

サドベリー・ニュートリノ天文台（SNO）はカナダのオンタリオ州サドベリーに位置するニュートリノ観測施設で、深さ2100メートルのクレイトン鉱山の地下に設置されていました。この天文台は、太陽ニュートリノを重水と相互作用させることで検出するように設計されており、1999年5月に運転を開始し、2006年11月28日まで稼働していました。SNOの研究成果は多くの分野に影響を与え、特にニュートリノ振動の発見に寄与したとして、実験責任者のアーサー・マクドナルドは2015年にノーベル物理学賞を受賞しました。

実験の動機

1960年代から、地球に届く太陽ニュートリノの観測は行われていましたが、これまでの実験結果は標準太陽モデルの予測を大きく下回るものでした。この現象は「太陽ニュートリノ問題」として知られ、多くの物理学者がその原因を探求してきました。1984年、ハーバード・チェンが重水を用いることでニュートリノ振動を測定できる可能性を指摘し、カナダは重水の供給を無償で提供できる環境を持っていたため、SNOプロジェクトは実現への道を歩み始めました。

実験方法

SNOの実験は、重水中でのニュートリノの相互作用を観測するもので、半径6メートルのアクリル容器に1,000トンの重水が保存され、その周囲を冷却水で満たした検出器が囲む形で設置されました。ニュートリノが重水中の陽子や中性子と衝突することで生じる電子や光を捉える仕組みが導入されており、約9,600個の光電子増倍管（PMT）がその光を検出しました。これにより、重水中でのニュートリノの振動現象を直接観測することが可能になりました。

主要な相互作用

ニュートリノは、重水中において主に以下の3つの相互作用を示します。
1. 荷電カレント相互作用：ニュートリノが陽子を電子に変換する反応です。生成される電子は検出できるエネルギーを持ちます。
2. 中性カレント相互作用：ニュートリノが重陽子を中性子と陽子に分解します。ここで生じるガンマ線はエネルギーが低いため、直接的には検出できませんが、関連反応により間接的に観測されます。
3. 電子弾性散乱：ニュートリノが原子の電子と衝突し、エネルギーを電子に与えて散乱させる現象です。

実験成果

2001年6月18日、SNOはニュートリノの振動現象の明確な証拠を示しました。これにより、ニュートリノには質量が存在することが示され、従来の理論との整合性が確認されました。また、SNOの測定結果は全てのフレーバーのニュートリノ束を基にしたものであり、理論予測と大きく一致しました。この発見は太陽ニュートリノに関する理解を一層深める要因となり、SNOの成果は多くの研究者に参照されています。

参加機関

SNOはカナダ国内外の多数の研究機関が参加し、約100名の研究者によって支えられていました。主な参加機関には、カールトン大学、オックスフォード大学、LBNLなどがあり、これらの機関が共同で実験装置の開発やデータ解析を行いました。

その他の影響と名誉

また、SNOは超新星の早期警報システム(SNEWS)の立ち上げメンバーでもあり、宇宙の現象に関する重要な知見を提供しました。SNOの成果を讃えて、小惑星14724もSNOにちなみ名付けられ、研究者たちの貢献が評価されています。アーサー・マクドナルドは、2015年に行われたノーベル物理学賞を受賞し、その功績が広く認められることとなりました。

このように、サドベリー・ニュートリノ天文台はニュートリノ研究の発展に大きく寄与し、物理学の分野での重要な転機を迎える役割を果たしました。

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