大亜湾原子炉ニュートリノ実験とは？わかりやすく解説

大亜湾原子炉ニュートリノ実験（だやわんげんしろニュートリノじっけん、中国語：大亚湾核反应堆中微子实验）は、ニュートリノを研究する中国に拠点を置く多国籍の素粒子物理学プロジェクトである。多国籍共同研究には、中国、チリ、米国、台湾、ロシア、チェコ共和国の研究者が参加している。このプロジェクトは米国では、アメリカ合衆国エネルギー省の高エネルギー物理学局から資金提供を受けている。

概要

香港から北へ約52 km、深圳市から東へ約45 kmの大亜湾に位置する。提携プロジェクトとして香港のアバディーントンネル地下研究所（英語版）がある。アバディーン研究所は、当実験に影響を与える可能性のある宇宙線ミュー粒子からできる中性子を測定している。

6基の原子炉から1.9 km以内の3ヵ所に集めた、8個の反ニュートリノ検出器で実験を行う。それぞれの検出器は20トンの液体シンチレータ（ガドリニウムを添加した直鎖アルキルベンゼン）を、光電子増倍管と遮蔽体で取り囲んで構成したものである^[1]。

これよりもかなり大規模な後継機として開平市で江門地下ニュートリノ観測所（英語版）（JUNO＝Jiangmen Underground Neutrino Observatory）が開発されている^[2]。この観測所では原子炉の反ニュートリノを検出するため、アクリル球を2万トンの液体シンチレータで満たして用いる予定である。JUNOは2015年1月10日に起工した^[3]^[4]^[5]。2021年末の地下ホール引き渡しを経て、2024年10月11日にアクリル球の据え付けを完了したことを中国科学院が明らかにした^[6]。2024年12月18日に液体の注入が始まり^[7]、2025年8月26日に注入が完了して稼働した^[8]。

ニュートリノ振動

この実験は大亜湾原子力発電所と嶺澳原子力発電所の原子炉で生成される反ニュートリノを用いてニュートリノ振動を研究し、混合角θ₁₃を測定することを目的としている。科学者は、ニュートリノでCP対称性の破れがあるかどうかにも興味を持っている。

2012年3月8日、大亜湾共同研究グループは5.2σの有意性で以下のようにθ₁₃≠0であることを発見したと発表した^[9]^[10]^[11]。

\sin ^{2}(2\ \theta _{13})=0.092\pm 0.016\,\mathrm {(stat)} \pm 0.005\,\mathrm {(syst)} .

これは驚くほど大きな混合角であり、新しい種類のニュートリノ振動を表す有意な結果である^[12]。これはT2K、MINOS（英語版）およびダブルショーで以前に測定された、より有意性の低い結果と矛盾しない。θ₁₃ がこれほど大きいならば、NOνAはニュートリノ質量階層性を検出できる可能性が50％程度の確率であるといえる。これらの実験でニュートリノのCP対称性の破れも探査できる可能性がある。

共同研究グループは2014年に解析結果を更新した^[13]。エネルギースペクトルを使用することで混合角の範囲が改善された。

\sin ^{2}(2\ \theta _{13})=0.090_{-0.009}^{+0.008}

水素に捕捉された中性子からの事象による、独立した測定の結果も公表された^[14]：

\sin ^{2}(2\ \theta _{13})=0.083\pm 0.018

.

当実験のデータを使用して、軽いステライルニュートリノの信号が探索され、以前には未探査だった質量領域が除外された^[15]。

Moriond 2015物理学カンファレンスで、混合角と質量差の新たな最適値が発表された^[16]：

\sin ^{2}(2\ \theta _{13})=0.084\pm 0.005,\qquad |\Delta m_{ee}^{2}|=2.44_{-0.11}^{+0.10}\times 10^{-3}{\rm {eV}}^{2}

2023年4月21日の大亜湾の発表では、以下の測定精度を報告した:

$\sin ^{2}(2\ \theta _{13})=0.0851\pm 0.0024,\qquad$ 順階層の質量に対して、 $\Delta m_{32}^{2}=(2.466\pm 0.060)\times 10^{-3}{\rm {eV}}^{2}$ もしくは逆階層の質量に対して、 $\Delta m_{32}^{2}=-(2.571\pm 0.060)\times 10^{-3}{\rm {eV}}^{2}$ ^[17]。大亜湾共同研究グループは「報告された $\sin ^{2}(2\ \theta _{13})$ は近い将来最も正確な $\theta _{13}$ の測定であり続ける可能性が高く、ニュートリノ振動における質量階層とCP対称性の破れの調査に極めて重要である。」と示唆した。

反ニュートリノスペクトル

大亜湾共同研究グループは反ニュートリノエネルギースペクトルを測定し、約5MeVのエネルギーの反ニュートリノが理論的予測より多いことを見出した。観測と予測の間のこの予期しない不一致は、素粒子物理学の標準模型に改善が必要であると示唆している^[18]。

共同研究者

脚注

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^ Daya Bay collaboration (22 May 2012). “A side-by-side comparison of Daya Bay antineutrino detectors” (英語). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 685 (1): 78-97. arXiv:1202.6181. Bibcode: 2012NIMPA.685...78A. doi:10.1016/j.nima.2012.05.030.
^ Li, Xiaonan (August 2013). Daya Bay II: Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) (PDF). Windows On the Universe (英語).
^ Grassi, Marco (24 January 2017). The Jiangmen Underground Neutrino Observatory. XIII International Conference on Heavy Quarks and Leptons (HQL 2016) (英語). Vol. 274. SISSA Medialab. p. 073. doi:10.22323/1.274.0073. 2025年7月1日閲覧.
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^ “Groundbreaking at JUNO” (英語). Interactions NewsWire. (2015年1月10日) 2015年1月12日閲覧。
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^ “中国の江門ニュートリノ実験検出器メイン装置が本格稼働”. japanese.cri.cn (2025年8月26日). 2025年10月14日閲覧。
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外部リンク

公式ウェブサイト
“Catching neutrinos in China” (英語). www.symmetrymagazine.org. 2007年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年11月15日閲覧。- Fermilab、SLACの機関紙。
“Daya Bay θ₁₃ reactor neutrino experiment & Aberdeen cosmic ray muon-induced neutron experiment” (英語). theta13.phy.cuhk.edu.hk. 2007年5月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年4月27日閲覧。- 香港中文大学 [The Chinese University of Hong Kong]

[1] Daya Bay collaboration (22 May 2012). “A side-by-side comparison of Daya Bay antineutrino detectors” (英語). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 685 (1): 78-97. arXiv:1202.6181. Bibcode: 2012NIMPA.685...78A. doi:10.1016/j.nima.2012.05.030.

[2] Li, Xiaonan (August 2013). Daya Bay II: Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) (PDF). Windows On the Universe (英語).

[3] Grassi, Marco (24 January 2017). The Jiangmen Underground Neutrino Observatory. XIII International Conference on Heavy Quarks and Leptons (HQL 2016) (英語). Vol. 274. SISSA Medialab. p. 073. doi:10.22323/1.274.0073. 2025年7月1日閲覧.

[4] T. Adam et al. (2015-09-28) (英語). JUNO Conceptual Design Report. JUNO Collaboration. arXiv:1508.07166v2

[5] “Groundbreaking at JUNO” (英語). Interactions NewsWire. (2015年1月10日) 2015年1月12日閲覧。

[6] “地下700mのニュートリノ実験単体アクリルボール広東江門で完成”. japanese.cri.cn (2024年10月11日). 2025年7月1日閲覧。

[7] “巨大最先端装置の「江門ニュートリノ実験」の液体注入が始まる”. japanese.cri.cn (2024年12月18日). 2025年7月1日閲覧。

[8] “中国の江門ニュートリノ実験検出器メイン装置が本格稼働”. japanese.cri.cn (2025年8月26日). 2025年10月14日閲覧。

[9] Daya Bay Collaboration (2012). “Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay” (英語). Physical Review Letters 108 (17): 171803. arXiv:1203.1669. Bibcode: 2012PhRvL.108q1803A. doi:10.1103/PhysRevLett.108.171803. PMID 22680853.

[10] Adrian Cho (2012年3月8日). “Physicists in China Nail a Key Neutrino Measurement” (英語). ScienceNow. 2012年3月9日閲覧。

[11] Eugenie Samuel Reich (8 March 2012). “Neutrino oscillations measured with record precision” (英語). Nature. doi:10.1038/nature.2012.10202.

[12] “Announcing the First Results from Daya Bay: Discovery of a New Kind of Neutrino Transformation” (Press release) (英語). University of California, Berkeley. 8 March 2012.

[13] Daya Bay Collaboration (10 February 2014). “Spectral measurement of electron antineutrino oscillation amplitude and frequency at Daya Bay” (英語). Physical Review Letters 112 (6): 061801. arXiv:1310.6732. Bibcode: 2014PhRvL.112f1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.112.061801. PMID 24580686.

[14] Daya Bay Collaboration (3 October 2014). “Independent measurement of the neutrino mixing angle θ₁₃ via neutron capture on hydrogen at Daya Bay” (英語). Phys. Rev. D 90 (7): 071101. arXiv:1406.6468. Bibcode: 2014PhRvD..90g1101A. doi:10.1103/PhysRevD.90.071101.

[15] Daya Bay Collaboration (1 October 2014). “Search for a Light Sterile Neutrino at Daya Bay” (英語). Phys. Rev. Lett. 113 (14): 141802. arXiv:1407.7259. Bibcode: 2014PhRvL.113n1802A. doi:10.1103/PhysRevLett.113.141802. PMID 25325631.

[16] Bei-Zhen Hu; et al. (14 May 2015). “Recent Results from Daya Bay Reactor Neutrino Experiment” (英語). arXiv:1505.03641 [hep-ex].

[17] F. P. An et al. (Daya Bay Collaboration) (2023). “Precision Measurement of Reactor Antineutrino Oscillation at Kilometer-Scale Baselines by Daya Bay” (英語). Physical Review Letters 130 (16): 161802. arXiv:2211.14988. doi:10.1103/PhysRevLett.130.161802.

[18] An, F.P. (2016-02-12). “Measurement of the reactor antineutrino flux and spectrum at Daya Bay”. Physical Review Letters 116 (6): 061801. arXiv:1607.05378. Bibcode: 2016PhRvL.116f1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061801. PMID 26918980.

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