ニュートリノで地球がわかるわけ

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こんにちは、科学コミュニケーター林田です。

最近ニュートリノがホットですね〜*^^*前回、6月に発表されたニュートリノ振動のニュースについて書いたと思ったら、7月には地球内部からやってくるニュートリノのニュースが入ってきました。地球内部からやってくるニュートリノの観察で、

地熱の約半分は、放射性物質由来であることがわかりました!

放射性物質が崩壊したときに発せられる熱が地熱の半分を占めているというのです。残りの半分は、地球ができたときに発生した重力エネルギー。大きい岩のかたまりたちが重力で引き合ってがっしゃんこしたので、生じたエネルギーも大きいのですね。

今までの地球物理学でも、だいたい半分が放射性物質由来でしょう、と予測されていました。でもこれは、直接観測したわけではありません

隕石や火成岩(マグマが冷えて固まった岩石)の物質構成や、地球の内部構造から予測されていたものでした。でも、隕石や火成岩はきちんと実物を調べられますが、地球の内部構造はまだ仮説の部分が残っています。仮説をベースにさらに仮説を立てていたので、論拠としては弱かったのです。

今回、岐阜県神岡市の鉱山にあるニュートリノ検出器「KamLAND(カムランド)」が、地球内部の放射性物質から放出されたニュートリノを捕まえて、実際どれくらいの熱を作り出しているのかを直接見ることができたのです!

放射性物質が地熱の由来って、どういう意味?

「放射性物質」とは、放射線を出す物質のこと。出てくる放射線はあまりに高エネルギーなので、福島第一原発の燃料棒も溶けてしまいました。放射性物質がたくさんあると人体にも害を与えてしまうのは、皆さまご存じの通り。

3月11日以来、ほぼ毎日のように聞くようになったあの放射性物質です。

自然界にも放射性物質はたくさんあって、ウランやトリウム、ラドンなどは私たちの周りでも常に放射線を出して「崩壊」しています。私たちの周りにどれくらい自然放射線があるかは、未来館5階にある「霧箱」で見ることができます。けっこう飛び交っています。

放射性物質は地球の中にもたくさんあります。でも地球の奥深くで出された放射線は、地球内部の物質にぶつかるので(このときに熱が出ます)、地球の表面まで出てきません。だから地表で地球内部からやってくる放射線を直接観測することはできず、放射性物質による発熱量を計算することはできないのです。

しかし!実は放射性物質は、崩壊するとき、放射線といっしょにニュートリノを出します(正確には反ニュートリノ、つまりニュートリノの「反粒子」になります)。一回の崩壊ごとに一つのニュートリノを出します。

そしてこのニュートリノ、前回もお話しました通り)なんでもするするとすり抜けて、地球内部の物質に邪魔されることなく地表に到達するのです。地球内部からやってくるこのニュートリノの数がわかれば、放射性物質が一秒間に崩壊している回数もわかります。一回の崩壊で出てくる熱量はわかっているので、崩壊の回数がわかれば総発熱量がわかるというわけです。

この地球内部からやってきたニュートリノを捕らえるべく設計された、特別な検出器が、カムランドなのです。

前回のブログで、ニュートリノ検出器スーパーカミオカンデをご紹介しました。スーパーカミオカンデもカムランドも神岡鉱山の中にあります。(日本はニュートリノ研究大国ですね!)

なぜ同じニュートリノを見るのに2つも検出器を作ったのかといいますと、見ているニュートリノのエネルギーが違うのです。スーパーカミオカンデは、宇宙からやってくるエネルギッシュなニュートリノを、カムランドは原子炉や地球内部からやってくるエネルギーの低いニュートリノを見ています。

 

ニュートリノの捕まえ方

夏休みの自由研究でニュートリノを捕まえたいと思ったことはないですか!? (私だけでしょうか?)でも、なんでもするするとすり抜けてしまうニュートリノを捕まえるには、ちょっと大掛かりな検出器が必要です。

カムランドは、直径13メートルの風船を油の中に浮かせています。風船の中は特殊な液体が入っています。液体シンチレータと呼ばれるもので、これでニュートリノをとらえます。

カムランドのニュートリノ検出のしくみは、病院にあるPET装置みたいな感じです。

PETとはポジトロン放射断層撮影法のことで、ガンなどの診断に使います。この「ポジトロン」とは、日本語では「陽電子」で、実は電子の反粒子。PET検査のためには、あらかじめ放射性物質を含んだ物質(放射性トレーサー)を患者の体内に投与します。ガンの検査であれば、ガン組織に集まりやすい物質を放射性トレーサーに使います。放射性トレーサーの中の放射性物質が崩壊すると、陽電子が出ます。

この陽電子、すぐに周りにある電子と出合って、ガンマ線2つになります。(前回もお話ししましたが、粒子と反粒子が出合うとエネルギーになって消えてしまいます。)この2つのガンマ線は正反対の方向に飛んでいくので、これを検出することでもともとの位置、つまりガンなどの場所を特定できるわけです。

PETでは物質と反物質が出会って消滅する様子を見ているのですね!

このしくみは、カムランドでニュートリノを検出するしくみにも似ています。反ニュートリノが液体シンチレータの中の物質と反応すると、陽電子を出します。この陽電子が液体シンチレータの中を走ると発光します。そして、陽電子はすぐに周りの電子と出合ってガンマ線2つになります。これらの光が検出されれば、ニュートリノがやってきたことがわかるのです。

スーパーカミオカンデの場合、ニュートリノ検出のしくみは少し違います。詳細については、未来館5階のスーパーカミオカンデの展示でどうぞ!

ところで、地球はどれくらい発熱しているか、ご存知ですか?

なんと44兆ワット!原子炉一機の発熱量は3,000メガワット、つまり30億ワットほどなので(発電量はこの3分の1ですが)、原子炉一万機分、といったところでしょうか。このうち20兆ワットくらいが放射性物質による崩壊熱なのですね。

この地熱、日本でもエネルギーとして使えるといいですね。地熱を安全に取り出すためにも、地球内部のしくみをよく知っておきたいものです。今回のカムランドの結果のおかげで一歩前進です。

 

参考

カムランド

Physicsworld.com「崩壊熱、地熱の半分を占める(英語)」

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この記事への8件のフィードバック

先日,未来館のプレゼンテーション講座で,お世話になりました。

15分で,放射線,核分裂,核エネルギーの可能生をわかりやすくプレゼンすることができるという例を,見せていただいて感銘を受けました。

こんど,9月17日19日に学校の学院祭の理科実験教室で放射線をやろうと思います。

戸田一郎先生の霧箱を習ったばっかり,プラス林田さんのビー玉棒ネット核分裂を融合して,プレゼンを計画中です。

今日,東急ハンズで,棒ネットとビー玉をゲットしました。

という,変な教師がいますがよろしくお願いします。

田中さま

ありがとうございます。9月から立ち上げた「核エネルギー」についての新しい ミニトーク、ご参加いただき、ありがとうございました!

核分裂をご理解いただくために使用した陽子中性子ビー玉と原子力のネット、私も東急ハンズでゲットしました。みかんなどを入れるあの赤いネットは、思いもよらずなかな かいい長さと強さで満足しています(笑)。 あれを「棒ネット」と呼ぶとは今回初めて知りました。

ビー玉棒ネット案を使っていただけるとのこと感激です。ぜひ楽しいプレゼンにしてください。

次回のブログではこのミニトークについても書こうと思っています。今後ともどうぞよろしくお願いいたします!

9月7日に初めて科学未来館に来ました。双子の大学生です。

館内で他のスタッフの方にも「双子さんですか?」と聞かれたので、良い土産話になっています。

ネットの物理モデルの解説ありがとうございました。

単に「科学」の文字クイズが「化学」になったりしたので、印象に残りました。

理系の中でも専攻する分野が違うと言葉やツールとしてなら知っていても、それ以上は知らないことだらけでした。

ブログのニュートリノについても詳しい事は知らなかったのですが、未来科学館にいったことでいろいろな分野について知るきっかけみたいなものが増えました。

過去に勉強した事も忘れてるな…と実感したので、また今度科学館に来る時までには、専門的に口論がもっとできるように学習してから行きたいと思います!

サイエンスコミュニケーション講座のプレゼンテーション編にて「ミニトーク」を拝見しました。アンケートに書き忘れましたのでこの場で感想を述べさせて頂きます。とても感銘を受けました。事故以来、放射線に関しては一般書を何冊か読んで来ましたが、林田さんの説明はビジュアル的に一番分かりやすかったです。質問タイムでは核融合の方に話が流れましたが、ウランの系列崩壊のあたりを詳しく知りたかったです。時間を見つけてまたミニトークに参加したいと思います。

アルゴンの双子さま

先日はインターネット物理モデルのワークショップにご参加いただきまして、ありがとうございました。右を向いても左を向いても同じ笑顔でいらっしゃるので驚きました。

ワークショップでは「科学ときいて思いつく言葉」をメールで送っていただいたことは幾度かあるのですが、2文字で考えていただくのは今回が初めてで、どのようなものが出るかとても楽しみでした。元素記号を送られるとは!(しかも二文字目がちゃんと小文字に!)

未来館では、先端の科学や技術をご紹介させていただいております。ですから少し専門が違うと、目新しいことがたくさんあります。展示を見て、よくわからないところがあったら、ぜひ白ユニフォームの科学コミュニケーターをつかまえてください。

学習してから・・・だなんておっしゃわず、またのご来館を楽しみにお待ちしております!

大塚さま

ミニトークへのご感想、まことにありがとうございます^^。

「核エネルギー」のミニトークでは、質問タイムが一番の楽しみです。ウラン関連のご質問では、ウラン235とウラン238について訊いてくださるお客様もいらっしゃいます。15分ではとても全てをお伝えできません。ミニトークの後でも、いつでも、展示フロアで私をつかまえて、疑問に思われたことを訊いていただければとても嬉しいです。

ウランの崩壊についても核図表でご覧いただければ、自然界にある放射線の由来がよくわかります。

ぜひ展示フロアでお話ししましょう!またのご来館を心よりお待ち申し上げております。

地熱発電は自然放射線エネルギー発電といえばよいのでしょうか。地球が放射線によって温められていると理解すると、人工放射線に対する見方も変わるのかも知れませんね。

それともそのような理解はまちがいですか?

ニュートリノを放射線とからめて理解できるよう勉強してみたいと思います。

手島さま

確かにそうですね!自然界にはたくさんの放射性物質が存在しますし、放射線なしには生物はいまのように進化してこなかったかもしれません。わたしたちは放射線に多くの恩恵を受けています。

原発で作られているような人工放射性物質は、自然界のものとは少し違います。同じ放射線を出すわけですが、元素の種類が違いますので、化学的性質が異なり、人体に蓄積すると害を引き起こすものもあります。

放射性物質や放射線にはいろいろな種類があります。自然界でも人工的でも、それぞれの使いようによってよくも悪くもなってしまいます。

でもニュートリノは高エネルギーでも絶対害にはなりませんね!

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