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{{coord|36.4225|N|137.3153|E|region:JP-21_type:landmark|display=title|notes=<ref name=IwamotoToshiyuki>{{Citation |url=http://kamland.lbl.gov/Dissertations/IwamotoToshiyuki-DoctorThesis.pdf |first=Toshiyuki |last=Iwamoto |title=Measurement of Reactor Anti-Neutrino Disappearance in KamLAND |type=Ph.D. thesis |publisher=Tohoku University |date=February 2003 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20141006103219/http://kamland.lbl.gov/Dissertations/IwamotoToshiyuki-DoctorThesis.pdf |archivedate=2014-10-06 }}</ref>{{Rp|105}}}}
'''カムランド'''（'''KamLAND'''）は、[[東北大学大学院理学研究科・理学部|東北大学大学院理学研究科]]付属ニュートリノ科学研究センター（Research Center for Neutrino Science）による[[ニュートリノ検出器|反ニュートリノ検出器]]である。KamLANDという名称は'''Kam'''ioka '''L'''iquid Scintillator '''A'''nti-'''N'''eutrino '''D'''etector（神岡液体シンチレータ反ニュートリノ検出器）の略である。カムランドは[[岐阜県]][[飛騨市]]（旧[[神岡町 (岐阜県)|神岡町]]）にある[[神岡鉱山]]の[[坑道]]内の[[カミオカンデ]]跡地につくられた。カミオカンデが水[[チェレンコフ放射|チェレンコフ]]検出器であったのに対し、液体[[シンチレータ]]を用いることによって、より低いエネルギーの[[ニュートリノ]]を検出することができる。

カムランドの周辺には複数の[[原子力発電所]]が存在する。原子力発電所の[[原子炉]]では[[核燃料]]中の放射性[[核分裂生成物]]の崩壊により[[反電子ニュートリノ]] (<math>\bar{\nu}_e</math>) が生成される。この検出器は原子炉で生成されるニュートリノの25%にあたる、1.8 [[電子ボルト|メガ電子ボルト]] (MeV) の{{仮リンク|閾値エネルギー|en|threshold energy}}を超えるニュートリノを検出することができる。

もしニュートリノが質量をもつならば、[[ニュートリノ振動]]によって反電子ニュートリノがカムランドでは検出できない[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]のニュートリノに変化し、反電子ニュートリノの減少あるいは「消失」に至る。カムランドは原子力発電所から平均180[[キロメートル]] (km)離れた位置にあり、これによって[[太陽ニュートリノ問題]]の解決策であるニュートリノの大混合角による混合を感度良く検出することができる。

== 装置の概要 ==
カムランド検出器の外層は、内側に1,879個の[[光電子増倍管]]（17インチのものが1,325個、20インチのものが554個）が設置された直径18メートル (m)の[[ステンレス鋼]]製容器である<ref>{{Cite journal|last=Suzuki|first=Atsuto|last2=Collaboration|first2=KamLand|date=2005-01-01|title=Results from KamLAND Reactor Neutrino Detection|url=http://stacks.iop.org/1402-4896/2005/i=T121/a=004|journal=Physica Scripta|language=en|volume=2005|issue=T121|pages=33|doi=10.1088/0031-8949/2005/T121/004|issn=1402-4896|bibcode=2005PhST..121...33S}}</ref>。光電面が34%の領域を覆っている。この内側にある第2層は1,000[[トン]]の[[鉱油]]・[[ベンゼン]]・[[蛍光]]化学物質からなる液体[[シンチレータ]]で満たされた、直径13メートル (m)の[[ナイロン]]製バルーンである。シンチレータではない高純度の油がバルーンに[[浮力]]を与え、バルーンを光電子増倍管から離しておくための緩衝材として働く。この油は外部の放射線に対する遮蔽材の役割も持つ。3.2キロトン (=3.2x10<sup>6</sup> kg)の円柱状の水[[チェレンコフ放射|チェレンコフ]]検出器が容器を取り囲んでいる。これは[[ミュー粒子]]に対する[[ニュートリノ検出器#バックグラウンド低減|ベトーカウンター]]としての働きと[[宇宙線]]や周辺の岩盤からの[[放射能]]に対する遮蔽材としての役割を持つ。

[[反電子ニュートリノ]] ({{粒子の記号|反νe}})は[[逆ベータ崩壊]]反応 <math>\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n</math>によって検出される。この反応は<math>\bar{\nu}_e</math>に対して1.8 MeVの{{仮リンク|閾値エネルギー|en|threshold energy}}を持つ。[[陽電子]] (<math>e^+</math>)からの即発蛍光によって反ニュートリノのエネルギーを <math>E_{\nu} = E_{prompt} + <E_n> + 0.9 MeV </math>と推定することができる。ここで、<math>E_{prompt}</math>は即発事象のエネルギーで、[[陽電子]]の[[運動エネルギー]]と<math>e^+e^-</math>[[対消滅]]エネルギーを足し合わせたものである。 &lt;<math>E_n</math>&gt;は[[中性子]]反跳エネルギーの平均値で、わずか数十キロ電子ボルト (keV)である。中性子はおよそ200[[マイクロ秒]] (μs)後に水素に捕獲され、{{Val|2.2|u=MeV}}の特徴的な[[ガンマ線]]を放出する。この信号の遅延同時計測は反ニュートリノの信号と他の粒子によるバックグラウンドを区別する上で強力な手段となる。

距離が離れていることによる<math>\bar{\nu}_e</math>の減少を補うために、カムランドはそれまでの検出器よりも検出質量がはるかに大きい。カムランド検出器は[[Borexino]]のような同様の検出器の2倍である、1,000トンの検出質量を持つ。しかしながら、体積が増えたことにより、宇宙線に対する遮蔽材もより多く必要となり、地下に検出器を設置することが必要となった。

カムランド禅の二重ベータ崩壊探索の一環として、2011年に320&nbsp;kgのキセノンが溶かされたシンチレータのバルーンが検出器の中心に吊り下げられた<ref name=":0" />。キセノンを追加したより汚染の少ない改良バルーンが計画されている。KamLAND-PICOはカムランドに[[暗黒物質]]探索のためのPICO-LON検出器を設置することを計画しているプロジェクトである。PICO-LONはWIMPと原子核の非弾性散乱を観測する、放射性不純物の少ないNaI (Tl)結晶である<ref>{{Cite journal|url = |title = PICO-LON Dark Matter Search |date = 2013|journal = {{仮リンク|Journal of Physics: Conference Series|en|Journal of Physics: Conference Series|label=Journal of Physics: Conference Series}}|volume = 469|issue = 1 |pages = 012011|doi = 10.1088/1742-6596/469/1/012011 |doi-access=free |bibcode = 2013JPhCS.469a2011F |last1 = Fushimi|first1 = K|display-authors=etal}}</ref>。より量子効率の高い光電子増倍管と集光ミラーを追加し、検出器の性能を向上することが計画されている。

== 成果 ==
=== ニュートリノ振動 ===
==== 原子炉ニュートリノ ====
カムランドは、2002年1月17日からデータ収集を開始した。最初の結果は約145日のデータを用いて報告された<ref>{{ cite journal | last1=Eguchi |first1=K. |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration | title=First results from KamLAND: evidence for reactor antineutrino disappearance |  journal=[[Physical Review Letters]] | volume=90 | issue=2 | pages=021802–021807 | doi=10.1103/PhysRevLett.90.021802 | date=2003 | pmid=12570536 | bibcode=2003PhRvL..90b1802E|arxiv = hep-ex/0212021}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-content/publications/publication/results_0212021_j.html 日本語解説]</ref>。[[ニュートリノ振動]]がなければ、{{val|86.8|5.6}}事象が期待されるにもかかわらず、54事象しか観測されなかった。この結果を検証するため、データサンプルを515日に増やしたところ、ニュートリノ振動がなければ、365.2事象が予想されるのに対し、258事象しか観測されなかった<ref name="PhysRevLett.94">{{ cite journal | last1=Araki |first1=T.  |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration | title=Measurement of neutrino oscillation with KamLAND: evidence of spectral distortion | journal=[[Physical Review Letters]] | volume=94 | issue=8 | date=2005 | pages=081801–081806 | doi=10.1103/PhysRevLett.94.081801 | pmid=15783875 | bibcode=2005PhRvL..94h1801A|arxiv = hep-ex/0406035}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-content/publications/publication/results_0406035_j.html 日本語解説]</ref>。これによって高い信頼度で反ニュートリノが消失していることが確認された。

カムランド検出器は、反ニュートリノの数だけでなく、エネルギーも測定している。エネルギースペクトルの形状はニュートリノ振動仮説の研究に活用することができるさらなる情報をもたらす。2005年の統計分析で、スペクトルの歪みは振動なし仮説そして2つの代替消失メカニズム、すなわちニュートリノ崩壊およびデコヒーレンス (decoherence)モデルと矛盾することが示された<ref name="PhysRevLett.94" />。2種類のニュートリノ間の振動を仮定すると矛盾がなく、Δm<sup>2</sup>とθパラメータの最適値が導かれた。カムランドはΔm<sup>2</sup>を最も精密に測定し、太陽ニュートリノ実験はθの測定能力でカムランドを上回っていたので、最も精密な振動パラメータは太陽ニュートリノの測定結果と組み合わせることによって得られた。これらのデータを組み合わせることで決定できる最適なニュートリノ振動パラメータとして、<math>\Delta{m^2} = 7.9^{+0.6}_{-0.5} \cdot 10^{-5} \text{eV}^2</math>と<math>\tan^2\theta = 0.40^{+0.10}_{-0.07}</math>が得られた。

2008年<ref>{{Cite journal|url = |title = Precision Measurement of Neutrino Oscillation Parameters with KamLAND|last= Abe |first=S.  |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration |date = 5 Jun 2008|journal = [[Physical Review Letters]]|volume = 100|issue = 22|page = 221803|accessdate = |doi = 10.1103/PhysRevLett.100.221803 |pmid = 18643415|bibcode = 2008PhRvL.100v1803A|arxiv= 0801.4589}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-content/publications/publication/results_0801.4589_j.html 日本語解説]</ref>と2011年<ref>{{Cite journal|url = |title = Constraints on θ<sub>13</sub> from A Three-Flavor Oscillation Analysis of Reactor Antineutrinos at KamLAND|date = 2011|journal = [[Physical Review D]]|volume = 83|issue = 5|page = 052002|accessdate = |doi = 10.1103/PhysRevD.83.052002|pmid = |arxiv = 1009.4771 |bibcode = 2011PhRvD..83e2002G |last1 = Gando|first1 = A.  |display-authors=etal}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1009.4771_j.html 日本語解説]</ref>に精度を向上させた結果が報告された。

:<math>\Delta m_{21}^2 = 7.59 \pm 0.21 \cdot 10^{-5} \, \text{eV}^2,\,\, \tan^2 \theta _{12} = 0.47^{+0.06}_{-0.05}</math>

==== 太陽ニュートリノ ====
既に他の検出器でも測定されていた[[太陽ニュートリノ]]についても、カムランド検出器で測定が行われた。

2011年に[[ホウ素8|<sup>8</sup>B]]ニュートリノのフラックスは<math>2.77 \pm{0.26(\mathrm{stat})} \pm{0.37(\mathrm{syst})}\times10^{6}</math> [個/(cm<sup>2</sup>･s)]と見積もられた<ref>{{ cite journal | last1=Abe |first1=S. |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration | title=Measurement of the <sup>8</sup>B Solar Neutrino Flux with the KamLAND Liquid Scintillator Detector |  journal=[[Physical Review C]] | volume=84 | issue=3 | pages=035804 | doi=10.1103/PhysRevC.84.035804 | date=13 September 2011 | bibcode=2011PhRvC..84c5804A|arxiv = 1106.0861 }} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1106.0861_j.html 日本語解説]</ref>。これは他の検出器（[[スーパーカミオカンデ]]、[[サドベリー・ニュートリノ天文台]]、[[Borexino]]）の測定結果やニュートリノ振動を考慮した標準太陽モデルと矛盾しなかった。

2015年に[[ベリリウム7|<sup>7</sup>Be]]ニュートリノのフラックスは<math>3.26 \pm{0.52}\times10^{9}</math> [個/(cm<sup>2</sup>･s)]と見積もられた<ref>{{ cite journal | last1=Gando |first1=A. |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration | title=<sup>7</sup>Be Solar Neutrino Measurement with KamLAND |  journal=[[Physical Review C]] | volume=92 | issue=5 | pages=0558084 | doi=10.1103/PhysRevC.92.055808 | date=30 November 2015 | bibcode=2015PhRvC..92e5808G|arxiv = 1405.6190 }}</ref>。これはBorexinoの測定結果やニュートリノ振動を考慮した標準太陽モデルと矛盾しなかった。<sup>7</sup>Beニュートリノは862 keVとエネルギーが低く、これ以前にはBorexinoでしかこのような精度で測定できていなかった。

=== 地球ニュートリノ ===
カムランドは地質学的に生成される反ニュートリノ(いわゆる{{仮リンク|地球ニュートリノ|en|geoneutrinos}})の測定結果も2005年に公表した。このようなニュートリノは、地球の[[地殻]]と[[マントル]]における[[トリウム]]と[[ウラン]]の[[放射性崩壊]]によって生成される<ref>{{Cite journal |last1=Araki |first1=T.  |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration | title=Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND | journal=[[ネイチャー|Nature]] | volume=436 | issue=7050 | date=2005 | pages=499–503 | doi=10.1038/nature03980 | pmid=16049478 |bibcode = 2005Natur.436..499A}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-content/publications/publication/results_03980_nature_j.html 日本語解説]</ref>。地球ニュートリノの測定結果により、ウランとトリウムの放射化熱による[[地熱]]への寄与の上限値として60TWが得られた。

[[Borexino]]の測定値と組み合わせた結果が2011年に公表された<ref>{{Cite journal|url = https://authors.library.caltech.edu/25422/1/Gando2011p15815Nat_Geosci.pdf|title = Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements|last1= Gando|first1=  A.|display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration |date = 17 July 2011|journal = [[ネイチャー ジオサイエンス|Nature Geoscience]]|volume = 4|issue = 9|pages = 647–651|doi = 10.1038/ngeo1205|pmid = |access-date = |bibcode = 2011NatGe...4..647K}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_ngeo1205_j.html 日本語解説]</ref>。

2013年の新たな結果では、日本の原子炉が停止してバックグラウンドが低減されたため、116個の<math>\bar{\nu}_e</math>事象を用いて、ウランとトリウムの放射化熱生成量を<math>11.2^{+7.9}_{-5.1}</math> TWと限定することができた<ref>{{Cite journal|last1=A. Gando et al. (KamLAND Collaboration)|title=Reactor on-off antineutrino measurement with KamLAND|journal=[[フィジカル・レビュー|Physical Review D]] |volume = 88 |issue=3| page = 033001|date=2 August 2013|doi=10.1103/PhysRevD.88.033001|bibcode = 2013PhRvD..88c3001G |arxiv=1303.4667}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1303.4667_j.html 日本語解説]</ref>。これにより地球ケイ酸塩部分の構成モデルが限定されるが、既存のモデルと矛盾しなかった。

=== カムランド禅 ===
カムランドの検出器は[[2011年]]からは、[[キセノンの同位体|キセノン136]]のニュートリノを放出しない[[二重ベータ崩壊]] (0νββ)を探索するプロジェクト「カムランド禅 (KamLAND-Zen)」に使用されている。ニュートリノを放出する二重ベータ崩壊 (2νββ)は観測されたことがあるが、0νββは観測されたことがなく、観測されればニュートリノの質量を決定することができる。Zenは、'''Ze'''ro '''N'''eutrino Double Beta Decay Experimentの略である<ref>[https://www.awa.tohoku.ac.jp/kamland/?p=844 KamLAND | プロジェクト開始目前、KamLAND-Zen!ミニバルーン製作vol.1]</ref>。

最初に公表された78日間の測定データに基づく結果は、キセノン136における0νββの半減期は90%の信頼度で{{val|5.7|e=24|u=年}}以上、2νββの半減期は<math>2.38 \pm{0.02(\mathrm{stat})} \pm{0.14(\mathrm{syst})}\times10^{21}</math>であり、他の実験結果と矛盾しないというものだった<ref name=":0">{{Cite journal |title=Measurement of the double-β decay half-life of <sup>136</sup>Xe with the KamLAND-Zen experiment |last1=Gando |first1=A. |collaboration=KamLAND-Zen Collaboration |date=19 April 2012 |journal=[[Physical Review C]] |volume=85 |issue=4 |page=045504 |doi=10.1103/PhysRevC.85.045504 |bibcode=2012PhRvC..85d5504G |arxiv=1201.4664}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1201.4664_j.html 日本語解説]</ref>。

2011年10月から2012年6月の間に収集した第一期のデータと、キセノン純化後の2013年12月から2015年10月の第二期の間でデータを加え解析を行った結果、キセノン136における0νββの半減期の制限は90%の信頼度で{{val|1.07|e=26|u=年}}以上に改善された<ref>{{Cite journal |last1=Gando |first1=A. |collaboration=KamLAND-Zen Collaboration |date=16 August 2016 |title=Search for Majorana Neutrinos Near the Inverted Mass Hierarchy Region with KamLAND-Zen |journal=[[Physical Review Letters]] |volume=117 |issue=8 |pages=082503 |doi=10.1103/PhysRevLett.117.082503 |pmid=27588852 |bibcode=2016PhRvL.117h2503G |arxiv=1605.02889}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1605.02889_j.html 日本語解説]</ref><ref>[https://www.ipmu.jp/ja/20160809-KamLAND 二重ベータ崩壊を使ったニュートリノ研究で宇宙物質優勢の謎に挑む | Kavli IPMU-カブリ数物連携宇宙研究機構]</ref>。

エネルギー分解能の向上、キセノン濃度の向上、バックグラウンドの低減などを行い、さらに精度を向上することを目指している<ref>{{PDFlink|[https://www.awa.tohoku.ac.jp/kamland/wp-content/uploads/2011/10/%E7%A6%85%E3%83%91%E3%83%B3%E3%83%95%E3%83%AC%E3%83%83%E3%83%88.pdf 禅プレスリリース]}} - 東北大学ニュートリノ科学研究センター</ref>。

=== バリオン数非保存現象 ===
[[バリオン数]]非保存現象の探索も行われた。中性子が複数のニュートリノに崩壊するモード<ref>{{Cite journal|last1=Araki |first1=T.  |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration |title=Search for the Invisible Decay of Neutrons with KamLAND|journal=[[Physical Review Letters]] |volume = 96 |issue=10| page = 101802|date=17 March 2006|doi=10.1103/PhysRevLett.96.101802 |arxiv=hep-ex/0512059}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-content/publications/publication/results_0512059_j.html 日本語解説]</ref>および[[大統一理論]]で予測される陽子が反ニュートリノと[[K中間子]]に崩壊するモード<ref>{{Cite journal|last1=Asakura |first1=K. |display-authors=etal |collaboration=KamLAND Collaboration |title=Search for the proton decay mode {{粒子の記号|p}}→{{粒子の記号|反ν}}{{粒子の記号|K+}} with KamLAND|journal=[[Physical Review D]] |volume = 92 |issue=5| page = 052006|date=23 September 2015|doi=10.1103/PhysRevD.92.052006 |arxiv=1505.03612}} [https://www.awa.tohoku.ac.jp/KamLAND/ResearchResults/results_1505.03612_j.html 日本語解説]</ref>の探索が行われたが、いずれの信号も観測されず、寿命の下限値が得られた。

== 評価 ==
2015年度の[[ノーベル物理学賞]]はニュートリノに質量があることを示した研究に贈られたが、カムランド実験の貢献が同賞の受賞理由を説明する文書で言及された<ref>{{cite web|url=https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2015.pdf|title=Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015 NEUTRINO OSCILLATIONS|publisher= Royal Swedish Academy of Sciences|date=2015-10-06|accessdate=2020-03-01}}</ref>。

2016年、[[基礎物理学ブレイクスルー賞]]が[[鈴木厚人]]とカムランド共同研究チームに対して授与された<ref>{{cite web|url=https://breakthroughprize.org/Laureates/1/L154|title=Breakthrough Prize – Fundamental Physics Breakthrough Prize Laureates – Atsuto Suzuki <span>and the KamLAND Collaboration</span>|accessdate=2020/3/1}}</ref>。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
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== 関連項目 ==
* [[神岡鉱山]]

== 外部リンク ==
* [http://www.awa.tohoku.ac.jp/kamland/ KamLAND | The Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector] - KamLAND公式サイト
* [https://www.ipmu.jp/ja/research-activities/research-program/kamland カムランド禅] - [[カブリ数物連携宇宙研究機構]]
* [http://kamland.lbl.gov/research-projects/kamland KamLAND - Weak Interactions Group]{{En_icon}} - [[ローレンスバークレー国立研究所]]

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