イタリアの地下深くの超敏感な装置、Borexino検出器が、太陽の核からCNOニュートリノの検出というほぼ不可能な仕事についに成功しました。 このあまり知られていない粒子は、太陽や他の星を動かしている核融合サイクルの最後の詳細を明らかにし、太陽の組成に関するまだ解明されていない疑問に答えることができるかもしれません。 Credit: Borexino Collaboration
イタリアの地下深くで、超高感度の装置が、太陽のコアからCNOニュートリノ（炭素、窒素、酸素の存在を示す小さな粒子）を検出するという、ほとんど不可能な作業についに成功しました。 このあまり知られていない粒子は、私たちの太陽や他の星を動かしている核融合サイクルの最後の欠けている詳細を明らかにします。
2020年11月26日にネイチャー誌に掲載された結果（表紙にも掲載）において、ボレキシノ共同研究の研究者は、この珍しいタイプのニュートリノの最初の検出を報告しており、痕跡を残さずほとんどの物質を通過することから「幽霊粒子」と呼ばれるものです。 この多国籍プロジェクトは、プリンストン大学の物理学名誉教授であるFrank Calaprice氏、プリンストン大学の2003年の卒業生でマサチューセッツ・アマースト大学の物理学教授であるAndrea Pocar氏、およびバージニア工科大学の物理学教授Bruce Vogelaar氏が監督する共有助成金の下でアメリカ国立科学財団により支援されています。
「ゴースト粒子」の検出は、太陽のエネルギーの一部が、炭素、窒素、酸素（CNO）を含む一連の反応によって生成されているという1930年代からの予測を裏付けます。 この反応は太陽のエネルギーの1%以下しか生み出さないが、大きな星では主要なエネルギー源になっていると考えられている。 この過程で、物質の最も軽い素粒子として知られているニュートリノが2個、その他の素粒子やエネルギーも放出される。 水素からヘリウムへの核融合のより豊富なプロセスもまた、ニュートリノを放出しますが、それらのスペクトルの特徴は異なっており、科学者がそれらを区別することを可能にします。
星はその生涯の大半を、水素をヘリウムに融合させることによってエネルギーを得ています。 我々の太陽のような星では、これは主に陽子-陽子の連鎖によって起こります。 しかし，より重く高温の星では，炭素と窒素が水素燃焼を触媒して，CNOニュートリノを放出します。 ボレキシノ検出器が陽子-陽子ニュートリノを発見したとき、そのニュースは科学界に大きな衝撃を与えました。
しかしCNOニュートリノは、CNOプロセスが太陽の内部で働いていることを確認するだけでなく、恒星物理学における重要な未解決問題の解決にも役立つことがある。それは、太陽の内部がどのくらい “金属”（天体物理学者は水素やヘリウムよりも重い元素として定義）でできているか、コアの “金属量 “は太陽の表面や外層のものと一致しているかということだ。 毎秒4000億個以上のニュートリノが地球表面のあらゆる場所に衝突しているが、事実上これらの「幽霊粒子」は何にも反応せずに地球全体を通り抜けるため、科学者はそれらを検出するために非常に大きく、非常に慎重に守られた装置を利用せざるを得なくなる。
ボレキシノ検出器は、イタリア中央部のアペニン山脈の地下800メートルにある、イタリア国立核物理学研究所のラボラトリー・ナツィオナル・デル・グラン・サッソ (LNGS) で、300トンの超高純度液体炭化水素を詰めた約30フィートの巨大ナイロンバルーンが、水中に置かれた多層の球状チャンバー内に保持されています。 惑星を通過するニュートリノのごく一部は、この炭化水素中の電子に跳ね返って閃光を発し、水槽に並ぶ光子センサーで検出することができます。 大きな深さ、大きさ、純度により、ボレキシノはこの種の科学にとって本当にユニークな検出器となります。
ボレキシノプロジェクトは、カラプリス、ミラノ大学のジャンパオロ・ベリーニ、および故ラジュ・ラガヴァン（当時ベル研究所）が率いる物理学者グループによって1990年代初頭に開始されました。 過去30年間、世界中の研究者が陽子-陽子連鎖ニュートリノの発見に貢献し、約5年前、チームはCNOニュートリノの探索を始めました。
バックグラウンドを抑える
「過去30年間は、放射バックグラウンドを抑えることでした」とカラプリス教授は述べました。 残念ながら、CNOニュートリノは、巨大なナイロン風船から漏れる同位体であるポロニウム210の放射性崩壊によって生成される粒子に似ているのです。 太陽のニュートリノとポロニウムの汚染を分離するためには、プリンストン大学の科学者が中心となって、2014年から始まった骨の折れる作業が必要でした。 放射線が気球の外に漏れるのを防ぐことはできないので、科学者たちは別の解決策を見つけた：汚染された球体の外縁からの信号を無視し、気球の深い内部を保護することだ。 そのためには、気球内の流体の移動速度を劇的に遅くする必要があった。 流体の流れのほとんどは熱の差によって引き起こされるため、米国チームはタンクと炭化水素の温度プロファイルを非常に安定させ、流体をできるだけ静止させるよう努めた。 Vogelaar率いるバージニア工科大学のグループが設置した温度プローブの配列によって、温度が正確にマッピングされました。
「この動きを十分に小さくすることができれば、CNOニュートリノによる1日5回程度の低エネルギー反跳を観測できるだろう」とカラプリスは述べました。 “参考までに、炭化水素流体よりも1000倍密度が低い「新鮮な空気」の1立方フィートは、1日あたり約10万回の放射性崩壊を経験します。”
流体内の静止を確実にするために、プリンストン大学とバージニア工科大学の科学者とエンジニアは、2014年と2015年に検出器を断熱するハードウェア（本質的にそれを包む巨大毛布）を開発して、それから彼らは完全に安定した温度を維持する3つの加熱回路を追加しました。 それらは検出器の温度を制御することに成功しましたが、Borexino があるホール C の季節的な温度変化は、依然として小さな流体電流を持続させ、CNO 信号を不明瞭にしました。
そこで、プリンストン大学の 2 人のエンジニア、Antonio Di Ludovico と Lidio Pietrofaccia が LNGS スタッフ エンジニア Graziano Panella と協力して、ホール C の安定した空気温度を保つ特殊空気処理システムを作成しました。 2019年末に開発されたアクティブ温度制御システム（ATCS）は、気球の外側と内側で十分な熱安定性を生み出し、検出器内部の電流を静め、最終的に汚染同位体が気球の壁から検出器のコアに運ばれないようにしました
この努力は報われたのです。
「この放射性バックグラウンドをなくすことで、Borexinoの低バックグラウンド領域ができ、CNOニュートリノの測定が可能になりました」とCalaprice氏は言います。
「データはますます良くなっています」
CNOニュートリノ発見以前、研究所はBorexino運用を2020年末に終了する予定にしていました。
ボレキシノ検出器の中心にある静止炭化水素の量は、ネイチャー論文のデータが収集された2020年2月以来、大きくなり続けている。 それは、今週のNature論文の主題であるCNOニュートリノを明らかにする以上に、「メタリシティ」問題（太陽のコア、外層、表面はすべてヘリウムや水素より重い元素の濃度が同じかどうかという問題）の解決にも役立つ可能性が出てきたことを意味しています」
「中心の純度の向上とともにデータを集め続け、メタリシティに焦点を当てた新しい結果を現実のものとしました」とカラプリスは述べています。 “我々はまだデータを収集しているだけでなく、データはますます良くなっています。”
この研究の詳細については、
- ニュートリノは宇宙のCNOエネルギー生産メカニズムの最初の実験的証拠をもたらす
- 我々の太陽の「水素燃焼」力を理解する
参考文献を参照してください。 “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun” by The Borexino Collaboration, 25 November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Borexinoチームの他のプリンストン大生には、超高純度検出器液を設計した化学・生物工学名誉教授のジェイ・ベンツィガー、物理学教授のクリスティアーノ・ガルビアティ、Borexinoの当初のプロジェクト・マネージャーだった宇宙計画・企画担当副学長のポール・ラマーチェ、物理学の博士研究員のシュエ・フェン・ディン、物理学のプロジェクトマネージャーのアンドレア・イアンニがいます。
Borexino 集団に属する多くの科学者やエンジニアと同様に、Vogelaar と Pocar は、プリンストン大学の Calaprice の研究室にいたときに、このプロジェクトを開始しました。 Vogelaarはプリンストン大学で研究員、その後助教授を務めながらナイロンバルーンに取り組み、バージニア工科大学で校正、検出器モニタリング、流体力学的モデリング、熱安定化に取り組みました。 PocarはPrinceton大学でナイロンバルーンの設計と建設、流体処理システムの試運転に携わった。 その後，彼はUMass-Amherstで学生たちとCNOや他の太陽ニュートリノ測定のためのデータ解析とバックグラウンドを特徴づける技術に取り組んだ。
この研究は，米国では国立科学財団，プリンストン大学，マサチューセッツ大学，バージニア工科大学からの支援を受けている。 Borexinoはイタリア国立核物理研究所(INFN)，ドイツ，ロシア，ポーランドの資金提供機関からも資金提供を受けている国際共同研究です。