太陽ニュートリノ

太陽ニュートリノについて

太陽ニュートリノ（Solar neutrino）は、主に太陽内部の核融合反応から生成される電子ニュートリノです。これらは、太陽によるエネルギーの生成メカニズムを解明する重要な要素として研究されています。特に、陽子-陽子連鎖反応が主要な生成過程であり、全体の86%を占めています。この反応では、二つの陽子が融合し、重水素（d）、陽電子（e+）、および電子ニュートリノ（νₑ）を生成します。具体的には、以下の化学反応式で表されます。

$$
ext{p} + ext{p} o ext{d} + e^{+} +
u_{e}
$$

次に、重水素は他の陽子と融合し、ヘリウム3（³He）とガンマ線（γ）を生成します。このプロセスもまた、太陽のエネルギー生成における重要なステップです。

$$
ext{d} + ext{p} o {^{3} ext{He}} + ext{γ}
$$

ヘリウム3はさらに、他のヘリウム3と融合し、ヘリウム4（⁴He）を生成することができます。この反応は以下のように表されます。

$$
{^{3} ext{He}} + {^{3} ext{He}} o {^{4} ext{He}} + 2 ext{p}
$$

この段階でヘリウム3とヘリウム4が共存すると、両者が融合し、ベリリウム7（⁷Be）が生成されます。これもまた重要な反応です。

$$
{^{3} ext{He}} + {^{4} ext{He}} o {^{7} ext{Be}} + ext{γ}
$$

ベリリウム7は、捕獲する陽子の数によって二つの異なる経路に分かれます。一つの経路では、ベリリウム7が電子を捕獲してリチウム7（⁷Li）と電子ニュートリノを形成します。

$$
{^{7} ext{Be}} + e^{-} o {^{7} ext{Li}} +
u_{e}
$$

この反応によって、太陽ニュートリノの14%が生成されます。リチウム7はさらに陽子と反応し、8番目のホウ素（⁸B）を生成します。

$$
{^{7} ext{Be}} + ext{p} o {^{8} ext{B}} + ext{γ}
$$

最終的に、ホウ素8はベータ崩壊を起こし、ベリリウム8を形成し、これによってわずか0.02%の太陽ニュートリノが生成されます。

$$
{^{8} ext{B}} o {^{8} ext{Be}} + e^{+} +
u_{e}
$$

これらの宇宙線は、極めて高エネルギーを持ち、主に陽子-陽子反応からほとんどが400 keV程度のエネルギーを持つ電子ニュートリノとして生成されます。地球に届くニュートリノの流束量は、約7・10¹⁰個/cm²/sであり、標準的な太陽モデルに基づいてこれらのニュートリノの数が予測されています。

【ニュートリノ問題】エネルギーの日々の変動に加え、実際に検出される電子ニュートリノの数は、理論的に予測される数の1/3に過ぎません。これが「太陽ニュートリノ問題」として知られています。この現象を受けて、ニュートリノ振動の概念が提唱され、実際にニュートリノのフレーバーが変化することが確認されました。これに関する研究は、サドベリー・ニュートリノ天文台によって行われ、すべての種類の太陽ニュートリノの流束が測定されました。

太陽ニュートリノのエネルギースペクトルもまた、標準的なモデルによって予測される重要な指標です。そのため、異なるエネルギー範囲に応じて適切な検出法を選択することが欠かせません。ホームステーク実験では、塩素が用いられ、特にベリリウム7の崩壊によって生成されるニュートリノへの感度が高いことが知られています。一方、サドベリー・ニュートリノ天文台はホウ素8由来のニュートリノに対して感度が高く、ガリウムは特に陽子-陽子反応で生成されるニュートリノへの感度が高いとされています。2012年には、Borexinoという共同実験が、太陽核に存在する重水素が生成する低エネルギーのニュートリノを検出したことが報告されました。この実験では、100トンの液体を用いて、平均して毎日3回の頻度で珍しい衝突を detections しました。

下記の関連項目にも興味があります。

• - ニュートリノ振動
• - 太陽ニュートリノ問題
• - ニュートリノ検出器
• - 太陽ニュートリノ単位
• - 粒子反粒子振動

出典

関連文献:
Haxton, W.C.; Hamish Robertson, R.G.; Serenelli, Aldo M. (2013). “Solar Neutrinos: Status and Prospects”. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 51 (1): 21–61.

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