ニュートリノ検出器は核の悪党を発見するために使用できるかもしれない

ロバート・スヴォボダが海軍に所属していた若い頃、彼の潜水艦は48個の核弾頭を搭載していました。それぞれの核弾頭の威力は、アメリカが広島に投下した原爆の何倍にも相当します。破壊力を持つ軍艦に同乗していたスヴォボダは、核兵器が何を成し遂げられるのか、そして何のためにそこにいるのかという現実について、深く考えさせられました。

スヴォボダは、不安を捨てて爆弾を愛することを学ぶことはなかった。しかし、爆弾を扱うことは彼の仕事ではなかった。彼は別の種類の核装置、つまり暗い海の深淵を進む潜水艦を動かす原子炉を担当していた。その任務に就く前に、海軍当局は彼を原子炉の仕組みと運転方法についての1年半の集中講座に入学させていた。この「原子力学校」で、スヴォボダはその後のキャリアを通して彼を魅了することになる粒子、ニュートリノに初めて出会ったのだ。

ある日、原子炉理論の教授が、確かに核分裂は莫大なエネルギーを生み出すが、そのエネルギーの一定割合は蒸発してしまうと話していた。それは、質量がほとんどないゴースト粒子となって光速近くで飛び去り、消えてしまうのだ。「それはちょっと興味深い話だ」とスヴォボダは言う。「ただ、虚空に消えてしまうんだ」

放射性原子は、原子核が分裂する二段階の過程でこれらの粒子（専門的には「電子反ニュートリノ」だが、「ニュートリノ」の範疇に含まれる）を放出する。この性質は、これらの粒子を核分裂の兆候とみなす。そして科学者たちは今、原子炉がどれだけ離れているか、どの程度の出力で稼働しているか、そしてどのような燃料を燃焼しているかを明らかにできることを知っている。この情報から、人間の操作員には分からない何かが明らかになる。原子炉が兵器級プルトニウムの製造に使用されているのか、あるいはある国が約束通りに貯蔵プルトニウムを燃やし尽くしていないのか、といったことだ。

現在カリフォルニア大学デービス校の物理学教授であるスヴォボダ氏は、海軍を退役後、本格的なニュートリノ科学者となった。ニュートリノ粒子は、彼の基礎科学研究と、湾内の爆弾を常に念頭に置いていた核セキュリティへの取り組みとの間に橋渡しとなる役割を果たしている。

最近、スヴォボダ氏とますます多くの同僚たちは、原子炉から放出されるニュートリノの信号を核セキュリティに利用することに関心を寄せている。これは、未申告の装置を検知したり、既知の原子炉が兵器材料の蓄積に利用されていないことを確認したりすることなどを目的としている。原子炉の壁を突き抜けるニュートリノの特​​徴は、原子炉内部で何が起こっているかによって変化するため、原子炉内にどれだけのプルトニウムが存在するか、そしてそれが予想と一致しているかどうかを知る手がかりとなる。もしそうでなければ、プルトニウムの一部が兵器開発計画に転用されている可能性があるという手がかりとなる。これはリアルタイムの測定であり、国際原子力機関（IAEA）の職員が現在行っている査察や測定を補完する可能性がある。

これらの「保障措置」には様々な形態がある。第一に、施設側が自らの活動について申告すること。第二に、監視である。これには、定期的および臨時の査察、衛星画像、オープンソース分析、カメラ監視、核物質サンプルの収集と分析、環境分析などが含まれる。しかし、ニュートリノは決して嘘をつかず、隠れることもできず、展開するままに真実を語る。

この技術はまだ本格的な実用化には至っていないものの、一部の科学者はニュートリノ監視が実用化される可能性を示唆しており、実現に向けて（小さな）一歩を踏み出している。米国エネルギー省は最近、ニュートリノ検出器の核セキュリティ応用に関する研究を委託し、この夏には、この技術が政策担当者にとってどのような分野で役立つかを見極めることを目的としたグループを立ち上げた。スヴォボダ氏が参加する「ウォッチマン」という不気味な名前のプロジェクトでは、数十マイル離れた原子炉からニュートリノ信号を拾い上げ、すぐ隣にいなくてもその活動を明らかにできる検出器と手法の開発も進められている。

毎秒、 100兆個のニュートリノがあなたの体をすり抜けていきます。まさに「すり抜ける」という言葉通りです。ニュートリノは皮膚、壁、建物、そして地球そのものさえも見ていません。ニュートリノは地球をほとんど動揺することなく、ほとんど何もない状態にあるため、ほとんど外界と相互作用することなく、地球をすり抜けていきます。

同時に、それらは宇宙の基本的な構成要素であり、物質がなぜ存在するのか、星の内部はどのように機能しているのか、そしてビッグバン直後に何が起こったのかを解明できる可能性があります。しかし、それらを捉えて分析するのが難しいため、科学者たちはそれらについてほとんど何も知りません。

しかし、原子炉は通常、1秒間に約10の20乗個のニュートリノを生成する^ため、検出器は確実にニュートリノを検出できます。スヴォボダ氏のかつての上司であるフレッド・ライネス氏は、1950年代にサウスカロライナ州のサバンナリバー施設で原子炉周辺におけるニュートリノの決定的な兆候を初めて検出し、この発見により後にノーベル賞を受賞しました。スヴォボダ氏は、旧ソ連の科学者による同様の研究を踏襲し、原子炉ニュートリノの有用性を証明する初期の研究を行いました。その研究の目的は、ロヴノ原子力発電所で燃焼する燃料の変化を正確に監視できるかどうかを検証することでした。

スヴォボダ氏は、ローレンス・リバモア国立研究所とサンディア国立研究所が主導する、カリフォルニア州サン・オノフレ原子力発電所から約65フィートの場所にメンテナンスの手間がかからない検出器を設置する取り組みに関わっていた。彼らは2003年から2008年までこの検出器を稼働させ、ニュートリノの検出に成功し、それを使って原子炉の稼働状態や出力、燃焼している燃料の種類を判定した。Nuciferと呼ばれる共同研究グループは、フランス原子力代替エネルギー委員会、マックス・プランク原子核物理学研究所、Subatechと呼ばれる研究グループが主導するプロジェクトで、フランスの研究用原子炉を監視して同様の肯定的な結果を示した。彼らはニュートリノ検出器が研究用原子炉の建物内で動作できることを示した。中国とブラジルの研究者も同様に、自国の原子炉周辺で肯定的な結果を確認している。日本のKAMLandと呼ばれるプロジェクトでは、100マイル以上離れた原子炉からニュートリノを検出した。

どれも歓迎すべきニュースだった。当局はゴースト粒子の信号を用いて、原子炉が当局の主張通りに動いているかどうかを客観的に判断できる可能性がある。「すべての原子炉は一定の割合でプルトニウムを蓄積します。ですから、『プルトニウムがあるか、ないか』ではなく、運転員の申告量と比較した量こそが重要なのです」とスヴォボダ氏は言う。こうした実験が始まった頃は、「プルトニウムが作られているかどうかを判断するほぼ唯一の方法は、文書を信じることでした」と彼は言う。

しかし研究結果は、ニュートリノがそのような保障措置を強化できることを示唆した。それがウォッチマンのアイデアの始まりだったとスヴォボダは続ける。ウォッチマンは、ガドリニウムを添加した水で満たされた、高さ50フィート、横幅50フィートの巨大な円筒で、最終承認を待って、地表から1キロメートル以上の深さにあるイギリスのボルビー地下研究所に設置される。2023年の完成予定で、約15マイル離れたハートリプール原子力発電所からのゴースト信号を監視する。これはデモンストレーションプロジェクトで、当局に可能性を示し、テクノロジーと分析手法を開発することを目指している。理想的には、原子力発電所から発生するニュートリノが水中を突き抜けて閃光を作り出し、科学者がすぐ隣にいない原子炉を見ることができることを実証する。これは、政治的または物理的な理由ですぐ隣にいることができない原子炉を監視したい場合に役立つ。チームは詳細なエンジニアリング計画を仕上げている。スヴォボダ氏が言うように、もはや「黒板に描いた漫画」ではない。

原子炉のすぐそばにいる必要がなくなることで、モニタリングが容易になる可能性がある。同様に、地上へ移動することも容易になる。過去数年間、バージニア工科大学のパトリック・フーバー氏などの科学者は、地下に設置する必要のないニュートリノ技術を開発してきた。これまで、ニュートリノ検出器は、小さな信号をかき消してしまう可能性のある背景ノイズを除去するために、地下深くに設置する必要がありました。しかし物理学者らは現在、ガドリニウムではなくリチウムを利用する検出器を開発しました。リチウムは、ニュートリノの特​​徴が出現した場所をより鮮明に表示します。単一の大きな検出器として機能するのではなく、地上の技術は基本的に一連の小さな検出器に分割されており、物理学者が信号の位置をより正確に特定できるようにします。これら2つのイノベーションにより、ニュートリノ事象のシーケンスをより正確にマッピングし、実際にニュートリノ事象であるものと背景事象をより簡単に見分けることができるようになりました。

地上に検出器を設置できることは、原子炉施設の協力を説得する際にも役立ちます。「原子炉の運営者のほとんどは、地面に6メートルの穴を掘ることにあまり好意的ではありません」とフーバー氏は言います。

地上検出器が機能する可能性は2018年に証明された。フーバー氏が共同研究者を務める「プロスペクト」と「チャンドラー」という2つのプロジェクトが、実際に地上でゴースト粒子を捉えたのだ。ウォッチマンの進歩とこの画期的な地上検出技術の組み合わせは、この技術をプロトタイプや自己観察以上の用途に活用したいと考える当局者の関心を喚起するのに役立っている。最近、エネルギー省はフーバー氏を含むグループに、ニュートリノ科学が核セキュリティにおいて実際にどこでどのように役立つ可能性があるかを示すよう委託した。彼らは例えば、捉えにくい粒子が核実験、使用済み燃料、原子炉の活動を明らかにできるかどうかを検討した。

公式報告書はまだ完成していないものの、研究チームは今春、いくつかの研究結果を「核セキュリティのためのツールとしてのニュートリノ検出器」と題した論文にまとめ、公開しました。研究チームは、少なくとも短期的には、ニュートリノは爆発や使用済み燃料の検出にはそれほど役に立たないことを発見しました。しかし、比較的近い将来、原子炉の監視には役立つ可能性があります。

カリフォルニア大学バークレー校の原子力工学者、ベサニー・ゴールドブラム氏は、フーバー氏らと共に報告書の作成に携わった。「ニュートリノを既知の原子炉の監視に利用することが、最も差し迫った可能性だと考えています」とゴールドブラム氏は語る。さらに先へ進めば、隠れた原子炉の探査も可能になる可能性がある。しかしゴールドブラム氏によると、真の可能性は、従来の固体燃料棒ではなく、溶融塩を放射性燃料と混合する先進的な原子炉の内部を検査することにあるという。「既存の原子炉には、十分な手段があります」とゴールドブラム氏はIAEAの検証制度に言及し、「各国は安心して作業を進めており、私たちは適切な報告を行っています。ニュートリノ監視がそこに大きな貢献をするとは考えていません」と述べている。

これらの情報を踏まえ、エネルギー省はより実践的な研究グループ「NuTools」も立ち上げました。このグループは、ニュートリノに関する知識が、国際的な保障措置の実施を支援する核セキュリティ実務家にとって、現実世界のどこで役立つ可能性があるかを探ることを目指しています。議論は今夏に始まり、ウェブサイトにはパンデミックにふさわしく「場所：すべての会議はオンラインで」と記載されています。

「このテーマの研究は、技術的に何をすべきかに関心を持つニュートリノ科学者たちによって推進されてきました」と、このグループの一員であるフーバー氏は語る。「NuToolsは、『現在保障措置に取り組んでいる人々と話し合って、彼らにとって何が役立つかを探ろう』と訴えています。ある意味では、これは市場調査と言えるでしょう。」連合の役員は、エネルギー省の国立研究所、国立標準技術研究所、そしてMIT、ジョージア工科大学、イリノイ工科大学などの大学から選抜されている。ゴールドブラム氏もそのメンバーだ。

応用核物理学者として訓練を受けたゴールドブラム氏は、大学院時代に受講した3週間の公共政策ブートキャンプで安全保障に興味を持つようになった。「自分の技術研究が政策にどのような影響を与えるか、これまであまり考えたことがありませんでした」と彼女は語る。「ブートキャンプに参加して数日後には、核戦争の悪夢を見ていました」。彼女は基礎物理学を中立的なものではなく、世界全体の安全保障に影響を与えるものとして考えるようになった。これは、少なくともマンハッタン計画以来、物理学者が苦闘してきた問題である。現在、ゴールドブラム氏は学生たちに自身の気づきを共有しているほか、国家核安全保障局（NSA）が後援する研究グループである核科学安全保障コンソーシアムの事務局長も務めている。

実際、ニュートリノ・原子核研究に携わる人のほとんどは、「基礎研究」の枠を超えている――あるいは少なくとも、ゴールドブラム氏のように、その一線を越えている――。コンソーシアムが目指すのは、まさに安全保障の根底にある科学研究なのです。

フーバー氏は、ニュートリノを国家安全保障のための人材獲得ツールと捉えている。「これは、平均的な物理学者に核安全保障問題への関心を高める手段なのです」と彼は言う。ソ連崩壊以降、若い物理学者を核不拡散研究に招き入れることは難しくなっている。「私が育った頃は、核兵器と冷戦が人々の最大の懸念事項でした」とフーバー氏は言う。「今日では、新型コロナウイルス感染症と気候変動によって、私たちは核の脅威を少し忘れてしまいがちです。おそらく、私たちも過去75年間、核兵器と共に生きてきたからでしょう。」

だからといって、今後75年間、彼らと平和に共存できる保証はない。しかし、物理学者たちは、ファントム粒子を使って航路を予測し、安全な航路を確保しようと努めている。「魔神を瓶に戻すことはできません」とスヴォボダ氏は言う。「でも、少しは制御することはできるんです。」

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