地球ニュートリノ観測の今後

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ニュートリノで何が分かるか
計画中の地球ニュートリノ実験
将来の夢と課題まとめ
東北大学ニュートリノ科学研究センター
榎本 三四郎

宇宙線研究所ニュートリノ研究会、宇宙線研究所、2005年10月11日

予備知識• ＵやThはイオン半径が大きく，高密度結晶にとりこまれにくい• 海洋地殻は海嶺でマントルの部分熔解で生成される• 大陸地殻は海洋地殻の沈み込みによる部分熔解で成長する• 大陸地殻には全地球の半分のUとThが含まれている• コアには U や Th はたぶんほとんど含まれていない

ニュートリノによる地球科学• “ニュートリノは地球深部の情報を直接伝える”
BSE モデルに対する独立なテスト
熱収支の決定，ダイナミクスの理解
マントルモデルの決定（均質・分化，ＣＭＢ，…）
地殻組成の理解深部化学組成，地球トモグラフィ…

• ニュートリノだけを観測してれば全て分かるか？
• 何をすれば何が分かるか？

KamLAND における地球ニュートリノ観測

KamLAND における地球ニュートリノ観測２

KamLAND は何を見ているか• 75%は大陸地殻起源• 50%は半径 500km から半径500kmをおさえれば全地球物理ができる？

“近距離地質の影響は10%以下”

近距離地質と全地球物理
日本列島の U/Th 分布は分からない• 地質図で空間スケールを調べる• 岩石標本で濃度変化の度合いを知る• 現実的な地質スケールでフラックス変化のスケールを調べる
全フラックスに７％程度の影響• 半径 500km からのフラックスを正確に見積もっているわけではない• 地殻を理解してマントルを議論しているわけでもない•「日本周辺の地殻」と「日本周辺のマントル」を仮定した全地球物理

大陸地殻組成モデル“手が届く”大陸地殻も，組成は良く分かっていない(表層と深部の差，サンプリングバイアス等の理由による)計算モデル
McLennan&Taylor (1999)

Tectonic

Wedepohl (1995)

Seismic

Rudnick&Fountain (1995)

McLennan
Seismic

Condie (1993)

Geologic

U/Th 濃度 [ppm]
上部地殻

中部地殻

2.8/10.7

下部地殻

0.28/1.06
0.91/3.5

2.5/10.3

0.93/6.6
1.7/8.5(2.8/10.7)

1.6/6.1

0.2/1.2

1.42/6.5
2.2/8.6-• Tectonic Model: 地殻生成のモデルを仮定して組成を推定• Geologic Model: 大規模広範囲の岩石サンプリングによる• Seismic Model: 地震波測定値にもとづき組成を推定-

大陸組成モデルとニュートリノフラックス
KamLAND 68.3%• 大陸地殻は，Ｕ／Ｔｈのおよそ半分を含む• 大陸地殻を理解することは，マントルや全地球組成(BSE)を理解するのと同様に重要Borexino と SNO では観測されるニュートリノの発生点分布 (MC)
大陸地殻起源マントル起源Borexino @ Gran Sasso

SNO+ @ Sudbury• フラックスの80%は大陸地殻由来• 地球ニュートリノは半径 ˜500km を平均化するバイアス（サンプリング，縦方向）を受けない地殻平均組成

続・大陸地殻組成

昔(原生代)のマントル対流???

スラブメルティング

最近のマントル対流???

液体放出によるマントル熔解
リサイクル
付加

計画中の地球ニュートリノ実験
実験名

場所

容量(kton)

深度(m.w.e.)

開始予定

KamLAND

神岡

1.02700

2002

Borexino

Gran Sasso

0.3

1500200?

SNO+

Sudbury

0.75400

検討中

Hano-hano

Hawaii

1.4 (?)

3000 (?)

計画中

BNO

Baksan1.04800

計画中

LENA

Phyasalmi (Finland)
Nestor (Greece)

60

4000
4000

ゆめ

HSD

Kimballton
HomestakeSoudan

100

1850
4200
2070

ゆめ

地球ニュートリノフラックス地図

マントルから˜
10 個/1032P/年
地殻から
30˜
70個/1032P/年

原子力発電所バックグラウンド
KamLAND 再純化後749日（見込み）

原子炉ニュートリノをなくした場合

地球ニュートリノ観測 S/N 地図

地球ニュートリノ観測 S/N 地図

20%精度に達するまでの観測時間

大陸上で全フラックス
0.5˜
1 [1032P・年]
大陸上でマントル˜
30 [1032P・年]
海洋上でマントル
4.5 [1032P・年]
1032-proton¦¦
1.2ktonCH2

KamLAND @ Kamioka (Japan)• 1.0 kton LS• 2700 m.w.e.
• 2002˜• 島弧，沈み込み帯• 20%精度までの時間- 全体：12.1 年- マントル：160.8 年• 実際には- 有効体積はもっと小さい- スペクトル解析がかなり有効

Borexino @ Gran Sasso (Italy)• 0.3 kton LS• 1500 m.w.e.
• 200?˜• 中生代，衝突帯• 20%精度までの時間- 全体：4.16 年- マントル：130.52 年

SNO+ @ Sudbury (Canada)• 0.7 kton LS• 5400 m.w.e.
• 検討中• 始生代，楯状地• 20%精度までの時間- 全体：2.02 年- マントル： 136.6 年

Hano-hano @ Hawaii (U.S.)• 1.4 kton LS ?
• 1000 m.w.e. ?
• 計画中

• 海洋島
• 20%精度までの時間- 全体：1.78 年- マントル：3.88 年

続・ハワイ• フラックスの半分が下部マントル起源• フラックスの3/4がマントル起源• 近距離地質が単純で不定性が少ない• 大陸地殻内部の構造の影響を受けない• 周辺に原子炉がない（原子力潜水艦???）BNO @ Baksan (Russia)• 1.0 kton LS• 4800 m.w.e.
• 計画中

KamLAND型検出器• 中生代，造山帯• 20%精度までの時間- 全体：0.70 年- マントル：36.2 年

LENA @ Phyasalmi (Finland), Nestor (Greece)• 60 kton LS• 4000 m.w.e.
• ゆめひと• 原生代，楯状地• 20%精度までの時間- 全体：0.016年（6日!）- マントル：0.67 年• 地中海，中生代，衝突帯• 20%精度までの時間- 全体：0.016 年- マントル：0.47 年

HSD @ Kimballton, Homestake, Soudan, …(U.S.)• 100 kton LS• 1850 m.w.e.
• ゆめ• 古生代，衝突帯• 20%精度までの時間- 全体：0.02 年- マントル：0.69 年

検出器構造検討中• 始生代楯状地• 20%精度までの時間- 全体：0.01 年- マントル：0.37 年• 始生代台地〜造山帯• 20%精度までの時間- 全体：0.0065年- マントル：0.33 年

EARTH (Earth AntineutRino TomograpHy)•˜
1 kton LS ?
• >2700 m.w.e.
• ???
• ボアホール型検出器• 方向に感度のある検出器を目指す

n10B7Li *7Li *2.78 MeV
7Li(0.48MeV)• 多地点観測によりトモグラフィを目指す• 検出効率とバックグラウンドに難あり？

夢：海嶺上での観測• 海嶺で新しい地殻が生成される• 海嶺下のマントルは不適合元素に欠乏している？
地球の進化過程理解への鍵

AzoresEasterKerguelen夢：マントルプルームを調べる• プルーム構造は地震波で見えているが…
• 化学組成は分からない• 沈み込みスラブが循環しているのか…
• CMB に特殊な構造があるのか…

下部マントルにおける地震波速度異常

Tahiti

開発課題• 方向検出– 大陸の下のマントル組成– コアとマントルの分離– 地球トモグラフィの夢•

40Ｋ(Emax=1.3MeV) ニュートリノの検出– コアを含め，重要な熱源（3TW〜20TW）– 地球存在量の見積もりに大きな不定性– 地球集積過程理解への重要な情報• ポータブル化（多地点観測へ向けて）– 深海での観測– 宇宙線耐性（浅地下での観測）
– 小体積

コアに凝集

マントルに凝集まとめ• 陸上での実験は基本的に大陸地殻を見ている– 手が届くはずの大陸地殻なのに，不定性が大きい– 大陸地殻は，放射性熱源のリザーバとして重要– 地球進化を理解する上でも重要な情報• ハワイでの観測は，マントル組成に感度がある• これらの実験計画が実際に活発に議論されている• 多地点観測により，海嶺やプリューム組成理解への夢• 方向検出，低エネルギー閾値化により，さらに大きな可能性も