KamLAND 実験と地球ニュート リノ
その物理と観測の現状
東北大学大学院理学研究科附属 ニュートリノ科学研究センター

榎本

三四郎

sanshiro@awa.tohoku.ac.jp
2005 年 8 月 31 日

1

ここから明らかなように，地球ニュートリノの発生量は，はじめにこれらの放射性物質の量およびその崩壊による発熱量と
今年 7 月，KamLAND 実験グループは，地球内部起源の間に直接的な関係がある．ニュート リノはその極めてニュートリノ (地球ニュートリノ) の初の実験的研究とな小さい反応断面積により，生成されてからほとんど まっる， 1000 ton 液体シンチレータによる地球ニュート リ

たく相互作用をせずに検出器まで到達するので，地球内ノ観測の結果を発表した [1]．地球ニュートリノは，地球部，特に地球深部における化学組成と，放射性熱源の量

内部の組成や地球全体の熱収支に関する直接的でユニーに関する直接の情報をもたらすと期待される．

クな知見をもたらすものとして 1960 年代から観測が期

現在の地球科学では，地球内部に存在するウラン，ト

待されていたが，その極めて小さな反応断面積とエネル

リウムやカリウムの総量は，おもに隕石組成の解析によ

ギーの低さにより，実際に観測されたことのなかったもり推定されている．いろいろな種類の隕石の中で，特にのである．KamLAND 実験では，1000 ton という大容

炭素質コンド ライト隕石と呼ばれるものが，その中に水量の液体シンチレータと，徹底的に不純物を取り除くこや硫黄などの低温凝集物を多く含んでいることと，揮発とにより実現した超低バックグランド 環境により，この性成分をのぞいた元素存在度が太陽大気のそれと類似し地球ニュート リノの観測を可能にした．現段階ではまだていることにより，地球を生成した始原物質に近いと考統計的に十分とは言えないものの，この研究は地球内部えられている．この始原物質推定から，地球生成時の揮起源という新しいニュート リノの探索を初めて行っただ発性物質の減少を考慮して，地球全体の平均組成が推定

けでなく，ニュート リノによる地球科学という新しい研される．現在の固体地球は，中心部分のコアと呼ばれる究手法が現実のものとなったことを示すものでもある．

鉄質の部分 (metallic Earth) とその外側のマントルや地

ここでは，ニュート リノ観測により実現する新しい地

殻などの石質の部分 (silicate Earth) に分離しており (図球物理学を，既存の地球科学との関連も含めてやや詳し

1)，親石元素であるウランやト リウムなどはほとんど す

く解説し，KamLAND における地球ニュートリノ観測の

べて石質の部分に含まれていると考えられている．コア

現状と将来について，最近発表したデータ [1] を中心にの分化を考慮した後の石質部分の平均組成は BSE (bulk

紹介する．

silicate Earth) モデルとして参照されており，これは現在の地球化学のパラダ イムのひとつとなっている．

2

ニュート リノと地球科学

BSE モデルに基づけば ，放射性元素からの発熱量は，
ウランおよびトリウムがそれぞれ 8 TW づつ，カリウム

地球ニュート リノは，地球内部に存在する放射性元素

が 3 TW で，合計 19 TW 程度となる．一方で，地表にのベータ崩壊により生成されるもので，そのほとんどはおける地殻熱流量の測定値は 44 TW (最近の再解析で 31

238TW) となっており，このことは地球全体の熱収支においU 系列, 232 Th 系列および 40 K による．
238
232
40

U −→ 206 Pb + 84 He + 6e− + 6ν¯e + 51.7 [MeV]

Th −→

208

4

−

Pb + 6 He + 4e + 4ν¯e + 42.7 [MeV]K −→ 40 Ca + e− + ν¯e + 1.32 [MeV]てこれらの放射性熱源が大きな寄与をしていることを示している．放射性熱源は，元素の崩壊により量が急速に減少するので，逆に言えば過去の地球においてはより大きな熱源であったことになる．他の熱源としては，地球マグマは，対応する生成深度の化学組成に関する直接の情報を与えるが，その生成深度はせいぜい数 100 km でᄢ㒽࿾Ზある．また，深部の岩石が地表に噴出するという特殊なᴉ䭎ㄟ䭎Ꮺ਄ㇱ䮥䮺䮏䮲
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環境にある岩石が，その深度の組成を代表できるかとい

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う点も疑わしい．結局のところ，下部マントルなどの深部の化学組成を知るためには，隕石解析と地球モデルに基づく推定，高圧実験と地震波速度を再現できる (一意でない) 結晶構造の推定，などの間接的方法に頼らざるをえない状況にある (他にも，地殻熱流量，重力異常，電気伝導度，地磁気などの測定量も地球深部に関する重要な情報を与えるが，いずれも物理量の測定であり，化学組成

ౝㇱ䭺䭩
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の推定には自明でないモデリングを伴う)．
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䎕䎛䎜䎓䏎䏐

ニュート リノによる地球科学のユニークな点は，それ

䎙䎚䎓䏎䏐

図 1: 地球内部構造．地球内部は，中心部分にある主に鉄とニッケルの合金から構成されるコアと，その周りにある岩石質のマントルおよび地殻から構成される．コアは2 層に分離しており，外部は液体，内部は固体になっている．地殻は地表付近の非常に薄い層で，性質の大きく異が地球深部の化学組成を直接与えることにある．また，放射性熱源の量に直接関係するため，地球全体の熱収支を理解するための重要なパラメータを与える．モデルの上に構築されたパラダ イムを独立な方法で検証することの意義はいうまでもない．

なる大陸地殻と海洋地殻からなる．海洋地殻は海嶺で生成され，プレートテクトニクスにより移動して，海溝でマントルへと沈み込む．海洋地殻の沈み込みは岩石の部

3

分溶解を引き起こし ，このマグマが上昇・累積すること
により大陸地殻が成長する．

KamLAND におけるニュートリノ
地球物理

KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator AntiNeutrino Detector) は，大容量高純度液体シンチレータの冷却熱 (地球生成時の重力エネルギーが熱に変換され，を用いて，低エネルギーニュート リノの検出を行う実験

地球内部に残ったもの) やコアの凝固熱 (液体の外部コアである．神岡鉱山内地下 1000 m の地点に設置され，1000

が固体の内部コアに凝固し 放出される熱) などが考えら

ton の液体シンチレータとそれを取り囲む 1879 本の光電れ，それぞれに異なった熱源分布や時間発展を持ってい子増倍管から構成される．KamLAND 検出器についてはる．したがってこれらの熱収支を理解することは，熱源すでに本誌 [2] で詳細に取り上げられているので，ここの量と分布，その時間変化を理解することであり，これでの説明は省略する．

はプレートテクトニクスや地球磁場をはじめとするすべ

KamLAND は，原子力発電所からのニュートリノを検ての地球ダ イナミクスを理解，さらには，地球の生成後出してニュートリノ振動現象を精密に測定することを第の発展を理解するための基礎となるものである．

一の目的に設置されたが，同時に，地球ニュート リノに

BSE モデルは現在の地球化学の基本的パラダ イムであ感度のある最初の検出器でもある．シンチレータを構成

り，また，そこから見積もられる放射性元素の存在量は全する陽子がニュートリノのターゲットとなり，逆ベータ崩

地球ダ イナミクスや地球発達史の基礎であるが，実際のところ，BSE 自体の理解はそれほど 進んでいない．地震

壊反応 ν¯e + p → e+ + n によりニュートリノを検出する．
この反応の閾エネルギーは 1.8 MeV であり，238 U 系列

波などから得られる詳細な地球深部の物理的特徴の情報の地球ニュート リノ (Emax = 3.3MeV) と 232 Th 系列のに比べ，地球深部の化学組成に関する情報は少ない．地球

地球ニュートリノ (Emax = 2.3MeV) の一部を観測する．

半径 6400 km，あるいはマントル・コア境界の深度 5000

K(Emax = 1.3MeV) のニュートリノは閾値以下で検出できない．この逆ベータ崩壊反応は電子型反ニュート リ

km と比較して，人類が到達した最大深度はわずか 4km，「大」深度ボーリング実験でもその到達深度はせいぜい数
10 km である．捕獲岩と呼ばれる，深部で生成され上昇流に捕獲されて地表に噴出した岩や，深部に起源を持つ

40

ノだけを選択的に検出するので，フラックスの大きい太陽ニュート リノに邪魔されず，地球ニュート リノと原子炉起源ニュートリノだけを観測することができる．

Number of anti-neutrinos (1/MeV/decay)

考えると，この濃集がいかに大きいか，理解できること
と思う．

101

U-Series
Th-Series
40
K

KamLAND における地球ニュートリノのフラックスを見積もり，また，KamLAND での観測に基づき地球物理

100

学的な議論をするためのフレームワークを提供するために，既存の地球科学の成果を集大成して地球参照モデルを構築した．大陸地殻と海洋地殻の組成は地質学・地震

10-1

学・岩石学の知見をもとに大陸形成モデルを加味して見積もられた値を参照する．マントルについてはほとんど
10-2

0.5

1

1.5
2
2.5
Anti-neutrino energy, Eν (MeV)33.5

図 2: 地球ニュートリノのエネルギースペクトル

何も分かっていないという立場に立ち，地球全体の組成(BSE モデル ) から地殻の組成を差し引いたものをマント
ル全体の平均組成とした．マントル全体が均一だとすれ
ば ，これはマントルの組成になる．この参照モデルによ図 2 に 238 U, 232 Th および 40 K のニュートリノスペク

れば，ウランの量はマントルで ∼ 0.01 ppm, 海洋地殻で∼ 0.1 ppm, 大陸地殻で ∼ 1 ppm となり，トリウムはすトルを示す．基本的には普通のベータ崩壊のエネルギー

べての場所でウランの約 4 倍である．ウランとトリウム

スペクトルで計算できるが，原子核電場の効果 (フェルミはともにイオン半径の大きい不適合元素であり，地球深関数) により，ベータ崩壊の最大エネルギーの部分 (電子部での化学的性質は酷似している．そのため，地球のほの運動エネルギー 0 に対応) に特徴的なエッジが現れる．

とんど の場所で安定した U/Th 存在比を示す．ウラン・ウラン系列およびトリウム系列のスペクトルは，崩壊鎖トリウム共に，マントルから海洋地殻，大陸地殻へと，ほに含まれる多くのベータ崩壊の足し 合わせにより，多く

ぼ 1 桁づつ濃集していく様子が分かる．参照モデルの詳のエッジを持つスペクトルとなる．

細については，[3, 4] を参照してほしい．

KamLAND における地球ニュートリノのフラックスは，
ウランやト リウムの総量だけでなく，その分布にも依存する．同じ 量のウラン・ト リウムでも，検出器から離れた位置にあれば，当然フラックスは小さい．したがって，

この 参照モデ ルに よれば ，KamLAND で の 地球ニュート リノフラックスは ，U 系列からのものが 2.3 ×

106 cm−2 sec−1 , Th 系列からが 2.0 × 106 cm−2 sec−1 と計算される．ここで，ニュートリノ振動パラメータは，最KamLAND でのフラックスを見積もるためには，ウラン

新の KamLAND および太陽ニュート リノ実験により決やトリウムがどこにどれくらいあるのかというモデル化

定された値 Δm212 = 7.9 × 10−5 eV2 , sin2 2θ12 = 0.82 ををしなければならない．

用いた．1032 個の標的陽子 (シンチレータ 1.2 kton に相ウランやトリウムなどのイオン半径の大きい元素は不当) で 1 年間観測した場合のイベント数 30.5 と 8.0 にそ

適合元素と呼ばれ，一般に地球深部の高密度の結晶中かれぞれ対応する．図 2 に示すように，U 系列と Th 系列

ら排除される傾向を持つ．高密度環境で溶解した岩石がでは地球ニュートリノのエネルギースペクトルが異なり，

徐々に冷却固化していけば ，不適合元素は液相中に取りそれにより検出効率が変わるので，フラックスが同じ く残される．コアは鉄とニッケルを主成分とする超高密度らいであるにもかかわらず，イベント数は U 系列が Th状態で，その中にはウランやトリウムなどはほぼ完全に系列のおよそ 4 倍になっている．

含まれていないと考えられている．海洋地殻は海嶺にお参照モデルの予測フラックスにエラーをつけることがいて上部マントルの部分溶解で生成され，この過程でウ

よく要求されるが，これはなかなか難しい．少なくとも，

ラン・ト リウムは海洋地殻に濃集する．大陸地殻は海洋

ニュートリノ振動パラメータの不定性に起因するエラー

地殻の沈み込みにともなう部分溶解で生成したマグマが噴出・集積して生成されたもので，ここでウラン・トリウ

6%はつくが，参照モデルの中で使われている地球化学的パラメータのエラーは簡単ではない．BSE モデルの値にムはさらに濃集される．およそ 40 億年にわたるプレート

は Th で 15%，U で 20% の「主観的エラー (subjective

テクトニクスと，それによる大陸地殻の生成により，初judgement of the uncertainty) 」はついているものの，他

期マントルに含まれていたウランやトリウムはどんどんのすべての見積もり値にはエラーはついていない．ある大陸地殻へ濃集し ，現在の地球では全地球の約半分のウ

1 つの岩石サンプルの分析値にエラーをつけることは簡ランとトリウムが大陸地殻に濃集していると考えられて単であるが，「どこそこの平均組成 (地殻全体，日本列島，

いる．大陸の総質量が地球のわずか 0.4% であることをetc) 」の類には，サンプリングのバイアスやモデル化の不定性などを考慮せねばならず，定量化が難しいからであ

×106

ろう．
参照モデルでは，一様なマントルモデルを仮定した．こさ 670 km のところで密度が大きく変化し ，そこで上部マントルと下部マントルに分けられる (図 1)．しかし，より詳細にマントル内部の地震波速度分布を調べると，マCumulative flux (1/cm2/sec)に支持されている．地震波解析によると，マントルは深sedimentcrust
mantle
total

100

80
3
60
2
40

1

Percentage of total (%)

れは，最近の詳細な地震波解析による地球トモグラフィ

4

20

ントルのグローバルな対流を示唆する大きな循環パター
ンが見えてくる．この対流は上部マントルと下部マントルの境界を突き抜け，マントル全体を撹拌する．この，地震波トモグラフィに基づく 1 層対流モデルは，均一なマ

0 0
10

101

102
103
Distance from KamLAND (km)1040

図 3: 累積フラックスと KamLAND からの距離

ントルモデルを支持する．
一方で，岩石学的な立場は，上部マントルと下部マン
トルの化学的分離を支持する．境界での密度差が大きく，そこを通過するための結晶構造の組み換えに大きなエネ
ルギーを必要とするため，密度差は物質交換の障壁になっていると考える．これに基づけば，上部マントルは 40 億
年のプレートテクトニクスにより，ウランやト リウムなどの不適合元素を地殻に吸い取られているので，その含有量は下部マントルよりもだいぶ少なくなっているはずである．
この，マントル組成が均一か分化しているかというのは，現在の地球科学の大きな論点のひとつとなっている．
このモデル不定性により KamLAND におけるフラック
スがどのくらい変化するか調べるために，参照モデルを変更してみる．極端な場合として，上部マントルに含まれるすべてのウラン・トリウムを下部マントルに均一に分布させると，KamLAND におけるマントル起源のフラッ
クスは約 12% 減る．全体のフラックスに対してだと，3%程度の減少に対応する．地球科学的根拠はないが，逆に下部マントルのウラン・トリウムをすべて上部マントルに移動すると，KamLAND における総フラックスは 8%程度増加する．
他にも参照モデルには多くのモデル依存の部分があり，それらはだいたい 5∼10% くらいのフラックス変化をもたらす．それらは，不定性と言えば 不定性であるが，逆に言えばニュート リノ観測によって新しい知見がえられる部分でもある．10% 程度の精度でニュートリノフラッ
クスを決められればそれは BSE のテストになるし，さらに進んで数 %，あるいは多地点での観測ができれば ，マントルモデルやその他さまざ まな地球科学の不定性に有用な情報をもたらす．
最後に，KamLAND 周辺の局所的な地質の影響に触れ ておこ う．発生源から 見た KamLAND の立体角は1/(4πr2 ) で増えるから，KamLAND で観測するニュー

トリノはほとんどが周辺から来たものではないかとよく聞かれる．しかし ，半径 r の球殻の表面積は r2 に比例するので，結局近距離からのフラックスは単位半径あたり 1/r2 × r2 に比例したものとなり，発散することはな
い．この，すべての半径から同じ 量のニュートリノが来る (ウラン・ト リウムの濃度が一定でニュート リノ振動を無視した場合) という事実は，ニュート リノ振動の影
響を単純化するのに重要な役割を果たす．結局のところ，
ニュート リノ振動の影響は地球全体からの総フラックス
を 1 − 12 sin2 2θ 倍にするという近似が 1%程度より良い精度で成り立ち，また，ニュート リノ振動によるスペク
トルの変形を無視できるレベルにする．
しかしながら，近距離の局所的なウラン・ト リウム量の変化が KamLAND における総フラックスに大きな影響を持つという点は変わらない．図 3 に，KamLAND からの距離の関数として，その内側から来るニュート リノの累積フラックスを示す．この図から読み取れるように，
フラックスの 3/4 は大陸地殻に由来し ，マントルの寄与
は 1/4 程度である．また，半径 50 km の範囲がフラック
スの 1/4 を占め，半径 500 km で半分になる．このことは，地球全体やマントルなどの地球深部の物理のために
は，KamLAND 周辺の地質を理解することが重要である
ことを示している．ちなみに，KamLAND が設置されている神岡鉱山茂住抗周辺の寄与は 1% 程度である．
半径 50 km と言えば，だいたい神岡から富山までの距離に相当する．500 km は，ほぼ本州がすっぽり収まるく
らいだ．あまり気が乗らなかったが，神岡周辺と日本列島の地質調査を開始した．
まずはじめに探したのが，日本列島全体の 3 次元のウ
ランとトリウムの分布地図．そんなものは存在しない．なければ作るとデータを集めにかかるが，もちろんそんなに簡単なことではない．しかし，集めたデータを見ると，

火成岩ではウランの濃度は 0.04 ppm から 5.55 ppm と数でとなる．遅延信号は，陽子による熱中性子捕獲で放出桁におよぶのに比べ，堆積岩は 1.55 ppm から 3.44 ppm

される 2.2 MeV のガンマ線によるもので，中性子の熱と比較的狭い範囲に収まる．これは，火成岩がマグマの化と捕獲に要する τ = 210 μsec だけ遅れて発生する．

生成や上昇の環境などにより成分が多様化するのに対し，

これら先発信号と遅延信号の相関した 2 つの信号の同時堆積岩は浸食の作用によりさまざ まな岩が混ぜられ，平計数 (遅延同時計数, delayed coincidence) を行うことで，均化されたためと考えられる．この平均化のスケールがバックグラウンド を効果的に抑えることができる．

流域面積程度だとすると，ニュート リノフラックスも半イベントセレ クションは，基本的に原子炉ニュート リ

径 50 km 程度を平均化するので，同じことが起こるはず

ノ解析のもの [5] と同等である．すなわち，宇宙線ミューと考え，表層地質図をもとに現実的なスケールでウランオンおよびミューオン後の一定時間の除去後，後発イベ

やト リウムの濃度を割り当ててみた．結果，フラックス

ントのエネルギーが 2.2 MeV であるような空間的・時間変化は 20% 程度に収まることが分かった．表層地質の多的に近接したイベントペアを探す．ただし，原子炉ニュー様性が深さ 5 km まで続いていると仮定して計算すると，

ト リノの場合と異なり，地球ニュート リノのエネルギー

これは総フラックスの 3% 程度の不定性に対応する (さは低く，シンチレータ内外の放射性不純物による偶発同らに保守的に，上部地殻すべてとしても 10% 程度)．

時計数が桁違いに多い．これは地球ニュート リノがウラ

神岡鉱山が特殊な場所だったらど うするか (鉱山はもとンやトリウムの崩壊に由来することを考えると，信号ともと地質的に特別な場所)．幸い，鉱山の地質は 3 次元的

バックグラウンドが同じエネルギーレンジにあるのはあに徹底的に調べられているので，構造的な把握は比較的る意味当然なことではある．この多量の偶発同時計数バッ容易だった．鉱山提供の 3 次元地質図 (手書き) に基づき，

クグラウンド を減らすため，イベントペアを選択する際鉱山の協力で岩石をサンプ リングして，その成分分析をの空間相関カットには原子炉ニュート リノの 200 cm か行う．結果，ウランやト リウムの特別な濃集は見られならより厳しい 100 cm に，時間相関カットは 2 msec かかった．もし ，近くに未発見のウラン鉱床があったらどら 1 msec にと設定し，また，有効体積についても，原子うなるか．世界最大級のウラン鉱床が KamLAND から
1 km の位置にあったとしても，フラックスは全体の 3%した．

程度と計算される．

炉ニュート リノの半径 550 cm から半径 500 cm に縮小
地球ニュート リノを観測する際の最大のバックグラウ

他にも，日本の下の沈み込みプレートの影響，日本海

ンド は原子炉起源のニュート リノで，年間およそ 41 イの地質の特殊性など ，考えられる限りの地質効果を列挙

ベント，地球ニュートリノの予測イベント数のおよそ 4.5

し，不定性を見積もった．その結果，50 km から 500 km

倍におよぶ．これ自体は，KamLAND の第一目的であるスケールの地質の影響は，すべて合わせても 10% 程度とニュートリノ振動の観測のための重要な信号なのであるなった．これは，BSE モデルの不定性である 20% よりが，地球ニュートリノの観測にあっては，単にもっとも大も小さく，KamLAND での観測により全地球的な物理がきなバックグラウンドでしかない．しかも，本物のニュー議論できることを意味する．

ト リノによるイベントなので，それを地球ニュート リノのイベントと区別することはできない (ニュート リノ到

4KamLAND 実験における地球ニュート リノ検出
すでに述べたように，KamLAND では反ニュートリノ

を逆ベータ崩壊反応 ν̄e + p → e+ + n により選択的に検来方向が分かればある程度の情報になるが，シンチレー
ション検出器である KamLAND では，いまのところこれは非常に難しい)．幸い，原子炉起源ニュートリノ観測
が KamLAND 実験の第一目的だということで，そのスペクトルやフラックス，システマティクスは詳細に理解されており，充分な統計がたまれば 地球ニュート リノイ

出する．この反応は，時間的および空間的に相関する 2

ベントをなんとか抽出することができる．電力会社の協

つの信号を作る．先発信号は陽電子およびその対消滅に力により，原子炉運転出力や反ニュート リノスペクトルよる 1 MeV のガンマ線により作られ，そのエネルギーはは，2% 程度以下の不定性で理解されている．現在のとこ

ニュートリノのエネルギーから 0.8 MeV 差し引いたもの

ろ最大の不定性はニュートリノ振動パラメータによるもになる．地球ニュートリノの最大エネルギーは 3.3 MeV

ので，イベント数換算で 5.5% のエラーとなっている．

なので，地球ニュート リノイベントの先発信号のエネル

KamLAND は，当初，「バックグラウンド フリー」な

ギー範囲は陽電子の最小エネルギーに対応する 1.0 MeV

検出器と宣伝されていた．超高純度シンチレータと遅延から最大ニュートリノエネルギーに対応する 2.5 MeV ま

同時計測による信号識別により，ニュート リノ信号に対するバックグラウンド という意味では，放射性不純物にローチとして，ニュートリノ候補イベントの PMT ヒッ

よる偶発同時計数と，宇宙線ミューオン起源の原子核破トパターンは正常か，その前後で異常なイベントはない

砕反応と検出器外ミューオンによる高速中性子しか予測か，イベントの空間分布や時間分布は正常か，などの徹されていなかった．ミューオン起源の原子核破砕反応は底的なチェックを行った．

ミューオン通過後の一定時間を解析から除くことによりその結果，見落としていたバックグラウンドが見付かっほぼ完全に除去することができ，高速中性子については，た．シンチレータ中に 1.1% の存在比で存在する 13 C に，

KamLAND で実際に観測されたミューオンを詳細に調べることにより，無視できる量であることが分かった．偶発

210

同時計数も，前述した厳しめのカットにより，かなり減ら

この反応によって生成される中性子は最小 2.2 MeV から

Po の崩壊により生成されるトリガ閾値以下の α 粒子
(5.3MeV) が衝突して発生する 13 C(α, n)16 O 反応である．

すことができる．これらのニュートリノ以外のバックグラ

最大 7.5 MeV のエネルギーを持ち，この中性子に散乱さ

ウンド イベントはすべて合わせても年間わずか 1.3 ± 0.1

れた陽子の一部は地球ニュートリノイベントと同じ程度

イベントで，原子炉起源ニュートリノ数 41.2 や予測地球の可視エネルギーを作る．これが先発信号となり，中性

ニュートリノ数 9.2 と比べてきわめて小さい．

子は熱化のあと陽子に捕獲され，遅延信号を作る．210 Po

しかしながら，地球ニュートリノ解析で行うのは，バッによる α 崩壊は年間およそ 7.3 × 108 回発生するが，そクグラウンド の中からの新しい信号の抽出である．バッのうちわずか 6 × 10−6 % がこの反応を起こし ，年間おクグラウンド を詳細に見積もり，予測より多い観測数をよそ 20 イベントが地球ニュートリノのバックグラウンド

もって，その有意性を主張する．したがって，バックグラとなる．

ウンドの見積もりにはより慎重でなければならない．バッ

このバックグラウンドの見積もりは，さまざまな不定性

クグラウンド の見落しは，そのまま，虚偽の信号となるに阻まれ，簡単なものではなかった．まず，210 Po の量が正

(この目的でスペクトル解析はもちろん重要であるが，初期の統計の少ない状況では必ずしも効果的とは限らない)．

確にわからない．これは，α 粒子の可視エネルギーがクエンチングのため非常に小さくなっており，イベント位置のこの観点から，考えられる限りのバックグラウンドプ

再構成に不定性が大きいためである．また，13 C(α, n)16 O

ロセスを列挙し，そのイベント数を見積もった．放射性不反応の断面積や角分布も，30 年以上前に測定されたエラー

純物起源のものとしては，短寿命核や長寿命励起状態にの大きいもの (σ ∼20%) があるだけであった．この反応でよる連続崩壊，自発核分裂，中性子放出やその他の特殊生成された中性子がどのようなスペクトルを作るかを計な崩壊モード，(α, n) 反応，(γ, n) 反応など ．KamLAND

算するためには，シンチレータ中での中性子-陽子散乱をでは数 10 Hz でトリガがかかっており，これだけでも年シミュレートし，さらにクエンチングを考慮して陽子の可間 109 程度のイベント数に対応する．放射性崩壊事象の視エネルギーを計算しなければならないが，このとき必要

大半がト リガ閾値以下であることを考えると，10−10程になる陽子のクエンチングファクタも正確には求まってい度の分岐比でも，地球ニュートリノ観測のバックグラウン

ない．結局，すべての不定性を込みにして，13 C(α, n)16 O

ドとなりえる (α 粒子はクエンチングのため，数 MeV の反応の数に 24% のエラーを，さらにその可視エネルギー

エネルギーを持っていても，可視エネルギーではト リガ

スペクトルの横方向に 10% のエラーをつけることになっ閾値以下になってしまう)．放射性不純物以外のバックグた．これらは現在のところかなり大きめの保守的な値をラウンド としては，太陽ニュート リノによるシンチレー

とっているが，低エネルギー領域を使った独立な (α, n)

タ中の重水素の分解 (disintegration)，大気ニュートリノ

バックグラウンド 数の見積もりや，中性子線源によるクとシンチレータ中の炭素原子核の反応，原子炉使用済燃

エンチングファクタの測定などが行われており，このあ料からのニュートリノ，富山湾に停泊しているかもしれな

たりの不定性は将来かなり減らすことができると期待さい秘密の原子力潜水艦からのニュート リノなど ．ミューれる．

オンによる原子核破砕による生成物も，生成断面積はと

この大量の 210 Po は，KamLAND 建設中にシンチレー

りあえず忘れて，原理的に生成可能かという基準からもタに浸入したラドンが起源と思われる．ラドン自体は 3

う一度調べなおした．KamLAND には，上部と下部，そ日で崩壊するが，その子孫に寿命の長い鉛 (210 Pb, τ1/2 =して中心部に白金温度計が設置されていたが，ミューオ

22.3 year) があり，これが現在シンチレータ中に大量に存

ンが温度計に命中したら何が起こるか分からないとの理在する．ウランやトリウムなどの不純物に関しては，原由で，その周囲半径 1.2 m を解析対象から除外した．偶子炉ニュート リノの解析に直接影響することもあり，細発同時計数についても，その見積もりが適切か，3 つの心の注意とともに，徹底的なクリーニングにより取り除異なる方法によりチェックをした．別の方向からのアプ

いた．シンチレータ中に存在するウランおよびトリウム定され，それぞれ 3.5 × 10−18 g/g および 5.2 × 10−17 g/g

Events / 0.17MeVの量は，KamLAND 完成後に KamLAND 自体により測30と，目標をはるかに上回る純度を達成した．ラドンに対しても，輸送タンクローリの内面を磨きあげ，その内側

25

策を講じてはいたが，結果的にシンチレータ中に存在す
る 210 Pb はウランの放射平衡から計算される量の 5 桁
近く多い量になってし まった．これだけの量のラドンがEvents / 0.17MeVにラドンを透過させないフィルムを貼るなどの数々の対入った理由ははっきりしないが，坑内における純化・液

20
15
10
5
0

20

2
4
6
8
Anti-neutrino energy, Eν (MeV)

15

10

入れの一連の過程でシーリングの不完全な部分があった
ためではないかと思われる (坑内の空気には外気の数 105倍のラドンが含まれている)．ちなみに，現在および将来
0の KamLAND では，岩盤の表面が直接露出しないようにし，そこに坑外からのラドンフリーエアを供給して，さ

1.8

2

2.2
2.4
2.6
2.8
Anti-neutrino energy, Eν (MeV)

3

3.2

3.4

らにすべての配管系を厳重にシールド するなど の対策を

図 4: 予測スペクトルと観測データ．太い一点鎖線と点線とっている．

が参照地球モデルから予測される U 系列と Th 系列の地

今年 7 月に Nature に発表した論文 [1] は，KamLAND

球ニュート リノの信号，細い鎖線，点線と一点鎖線がそにおける 749.1 日のデータに基づくものである．これはれぞれ原子炉ニュートリノ，(α, n) 反応，偶発同時計数の100% の検出効率での 4.87 × 1031 target-proton years のバックグラウンド である．太い実線がバックグラウンド

観測に対応する．図 4 に，予測されるスペクトルと実際の合計で，細い実線がそれに予測される地球ニュート リに観測されたスペクトルを示す．バックグラウンド の見

ノの信号を加えたものである．

積もり 127 ± 13(syst.) イベントに対し，ニュートリノイ
ベント候補として 152 イベントが観測された．現在のところ，系統誤差は有効体積の見積もり 4.9% が支配的に効き，全体で 5.0% となっている．これらの系統誤差を考慮し ，イベント数のみに着目すると，地球ニュート リ
ノのフラックスはイベント数換算で 25+19−18 と見積もられる．検出効率を含め，観測時間および標的陽子数で規格32化すると，これは 51+39−36 events/10 -protons/year に相当する．
図 4 に示された信号およびバックグ ラウンド のスペ
クトルを使って，スペクトル形まで含めた解析も行った．
図 5 にその結果を示す．この図から読み取れるように，

KamLAND における観測は U+Th のイベント数の決定にはそれなりの感度があるが，U/Th イベント数比にはあまり感度がない．一方で，前述したように，地球科学の第一の興味は U と Th の絶対量を決めることにあり，地球科学による Th/U 存在比の予測は絶対量の予測に比べ信頼できるものになっている．そこでこの地球科学による Th/U 存在比 3.9 を制約として含めて KamLANDのデータを解析すると，地球ニュート リノイベント数は90% の信頼区間で 4.5 から 54.2 となる．中心値は 28 イ
ベントで，これはイベント数のみによるの解析の結果と一致する．また，信頼度 99% で，地球ニュートリノイベ
ント数の上限は 70.7 となった．

5

KamLAND の結果と今後前述した参照地球モデルによれば，KamLAND における 749.1 日の観測での予測イベント数は U 系列 14.9 イ
ベント，Th 系列 3.9 イベントで，計 18.8 イベントである．参照モデルは地球化学の基礎となっている BSE モ
デルに基づいており，この予測フラックスはウランおよびト リウムによる発熱量 16 TW に対応している．現在のところ，KamLAND の観測による信号の有意性は 2 σ(95.4%) に満たないものの，その観測値は参照地球モデルによる予測値と 1 σ の範囲で一致する．99% 信頼度におけるフラックス上限は，参照モデル予測値の 3.8 倍になっている．現在のこのフラックス上限値は地球科学により与えられる制限をはるかに越えているため，この上限値
を直接地球モデルに還元することはできないが，もしモデルを単純にスケーリングするならば ，これは発熱量上
限 60 TW 相当となる．地表における地殻熱流量の測定
値が 44 TW あるいは 31 TW であることを考えると，熱源がすべてウランおよびトリウムの崩壊熱であると仮定してもその総量は 44 TW (31 TW) 相当を越えないはずで，現在の KamLAND が与えられる上限値 60 TW は，
この地球科学から与えられる上限値よりも大きい．しかしながら，今回の KamLAND の観測結果は，地球ニューている．蒸溜と窒素パージングにより，現在シンチレー

10080

タ中に含まれる 210 Pb や 85 Kr，39 Ar などの放射性不純CL 68.3%
CL 95.4%
CL 99.7%

物を 4∼6 桁除去することを目標にしている．すでに基本

NU+N Th的な開発の大半を終わらせており，神岡鉱山内における実機の建設が間もなく始まろうとしている．

60

これらの再純化は，太陽ニュート リノの観測を第一の40目的としたものであるが，地球ニュート リノ観測にもたらすメリットも大きい．放射性不純物の量を無視できる

20

レベルにするので (地球ニュートリノ観測には 2 桁でも十0-1

視できる量まで減少させる．偶発同時計数によるバック

分!)，量も不定性も大きい (α, n) バックグラウンド を無

-0.5
0
0.5
(N U-NTh)/(N U+N Th)

1

グラウンド も大幅に削減されるので，遅延同時計測の選
択条件を緩めることができ，また，有効体積も大きくとれる．210 Pb の 4 桁の削減を想定し，現在の原子炉ニュートリノ解析と同じ緩い選択条件，大きい有効体積による5観測を評価してみたところ，現在と同じ 749 日の観測に
CL 95.4%

4より，地球ニュートリノの量を 35% の精度で決めることΔχ

2ができることが分かった (参照モデルの予測フラックスに3

CL 90.0%

定のエラー 54% と比べると，大幅に向上していることが2

分かる．このデータを現在すでにあるデータと組み合わ
CL 68.3%100

基づく見積もり．詳細については [3] を参照)．現在の測せると，フラックス見積もりのエラーは 28%，信号の有意度は 99.96% に達する．99% 信頼度のフラックス上限

20

40
60
NU+N Th80

図 5: イベント数とスペクトル形の解析による地球ニュートリノイベント数の信頼区間．上図の等高線は内側から順に 68.3%, 95.4%, 99.7% の信頼区間を表し ，縦軸は地球
ニュートリノの総数 NU +NTh ，横軸は U 系列ニュートリ
ノと Th 系列ニュートリノの比を表す (NU − NTh )/(NU +NTh )．点はベストフィットで，U 系列 3 イベント，Th 系列
18 イベントとなった．縦の点線は地球化学による Th/U比の予測 3.9 を示し ，その上の長方形は参照地球モデルによる予測値とそのエラーの範囲を示す．この Th/U 比

3.9 の線に沿った χ2 の分布が下図で，この制約のもとでの地球ニュート リノ数の信頼区間を示す．塗りつぶされた長方形は参照地球モデルの予測とそのエラーを示す．

は 30 TW 相当程度になり，いよいよ地球科学の与える上限と比較できるレベルになる．
ニュート リノによる地球科学が現実のものとなったことを受けて，最近，多くの地球ニュート リノ観測実験が提案されてきている．その中でも特に興味深いのは，ハワイにおける観測である．地球ニュート リノの特に優れている点は，何と言っても他の手段では観測することのできない地球深部の組成について直接の情報をもたらすことである．この観点から，ウランやトリウムの多い大陸地殻から遠く離れているハワイにおける観測の意味は大きい．周囲に原子力発電所がないという立地条件も重要である．すでにいくつかのグループにより提案されているように，深海における移動式の検出器をもし作ることができるなら，多地点観測による局所地質不定性の排除や，海嶺やマントル上昇流などの地球科学的に興味のある地点でのピンポイント観測などが可能になり，さらには化学組成の全地球トモグラフィやそれによる地球発

ト リノによる初の実験的研究の成果であり，ニュート リ

達史の解明など ，ニュート リノによる地球科学探求の可ノによる地球物理学の探求が現実のものとなったことを能性は尽きない．

示すものであると言えよう．
現在，KamLAND は，次期 Be 太陽ニュート リノ観

1960 年代より提案され，ユニークな観測手段として期待され続けてきた地球ニュート リノの観測が，大容量高測へ向けて，シンチレータのさらなる純化の研究を行っ

純度シンチレータ検出器 KamLAND により，ついに現7

実のものとなった．ニュート リノによる地球物理学という新しい研究分野の今後の発展と，そこから得られる新しい地球科学の発見が楽しみである．

謝辞
この研究を行うにあたりお世話になった神岡鉱山，神岡消防署および地元神岡の皆様，そして原子炉運転デー
タを提供していただいた東京電力をはじめ各電力会社の皆様に深く感謝をし ます．また，ニュート リノ実験技術の基礎を築き，発展させてきた先人たちの偉業，特に神岡におけるニュートリノ実験の開拓的研究とその成果に対し ，感謝と敬意を表したいと思います．

KamLAND 実験グループ
東北大学，アラバマ大学，カリフォルニア大学バークリー校，ローレンスバークリー国立研究所，カリフォルニア工科大学，ドレクセル大学，ハワイ大学，カンザス州大学，
ルイジアナ州大学，ニューメキシコ大学，スタンフォー
ド 大学，テネシー大学，デゥーク大学，ノースカロライ
ナ大学，中国高能研究所，ボルド ー大学

参考文献[1] T.Araki et al. (KamLAND Collaboration), Nature
436, 499-503 (2005)[2] 白井・末包・井上，高エネルギーニュース 22-1, 1-10
(2003)[3] S.Enomoto et al., arXiv:hep-ph/0508049 (2005)[4] S.Enomoto, Doctoral Dissertation, Tohoku Univ.
(2005)[5] T.Araki et al. (KamLAND Collaboration), Phys.
Rev. Lett. 94, 081801 (2005)