原子炉を止めても反ニュートリノは止まらない、その微弱な信号を106個数えた話

原子炉を止めたあとも、炉の中からは「反ニュートリノ」という粒子が出続けている。理屈の上ではずっと前から分かっていたことですが、それを実際に数えた人はいませんでした。フランス北部のショー原子力発電所で行われたダブル・ショー（Double Chooz）実験のグループが、この停止後の微弱な信号を世界で初めて測定した、という論文が2026年8月、物理学の専門誌 Physical Review Letters に掲載されました。中心になったのはドイツのマックス・プランク核物理学研究所（MPIK）の研究者たちで、東北大学や神戸大学など日本の複数の大学も共同研究者として名を連ねています。

先に断っておくと、反ニュートリノはほとんど何とも反応しない粒子で、人体にも周囲の環境にも影響しません。この研究は原子炉の安全性を調べたものではなく、「止まった炉から何が出ているかを、外から測れるか」を確かめたものです。放射線の危険性の話とは別の話として読んでください。

停止後も続く反ニュートリノの放出

原子炉が動いているとき、炉の中ではウランやプルトニウムの原子核が分裂しています。分裂でできた原子核の多くは不安定で、しばらくすると別の原子核に変わっていきます（ベータ崩壊）。このとき1回ごとに、反ニュートリノという粒子が1個飛び出します。反ニュートリノは電気を帯びておらず、質量もほぼゼロなので、炉の壁も遮蔽（しゃへい）も地面も、まるで何もないかのように突き抜けていきます。運転中の原子炉は、人間が作るもののなかで最大の反ニュートリノ源です。

では、炉を止めるとどうなるか。制御棒を入れて核分裂を止めれば、新しい分裂生成物はできなくなります。ただ、それまでに炉の中にたまった不安定な原子核は、止めたあとも自分のペースで崩壊を続けます。寿命の長いものは何か月、何年と崩壊し続ける。つまり、核分裂が止まっても反ニュートリノの放出は止まらない。そして、これは炉の中の燃料だけの話ではありません。炉から取り出して隣の冷却プールに沈めてある使用済み燃料からも、同じ理由で反ニュートリノが出続けています。

運転中の100分の1という壁

ここまでは理論の話で、専門家のあいだでは疑う余地のないことでした。問題は量です。停止後に出る反ニュートリノは、運転中のおよそ100分の1しかありません。運転中の信号を捕まえるのでさえ、地下に大がかりな検出器を据えて何年も数え続ける必要があるのに、その100分の1となると、周囲から紛れ込む雑音（バックグラウンド）に埋もれてしまいます。

これまでの原子炉反ニュートリノの実験は、信号が大きい運転中のデータを主に使ってきました。停止後の信号については、計算で「これくらい出ているはず」と予測されてはいたものの、実測で確かめられたことは一度もなかった、というのがこの研究以前の状況です。

ダブル・ショー実験と17.2日のデータ

ダブル・ショーは、もともとニュートリノの「振動」と呼ばれる性質を調べるために作られた実験です。ショー原子力発電所の2基の原子炉に対して、炉から約400メートルと約1,050メートルの地点の地下に検出器を1台ずつ置き、2011年から2017年まで運転しました。今回の解析で使われたのは、炉に近いほうの400メートルの検出器のデータです。

検出器の中身は30立方メートルを超える「液体シンチレーター」、つまり粒子が当たると微かに光る液体です。反ニュートリノがこの液体の中の陽子にぶつかると、陽電子と中性子が生まれます。陽電子はすぐ周囲の電子と対消滅して1回目の光を出し、中性子は少し遅れて液体に溶かしてあるガドリニウムという金属に捕まって2回目の光を出す。この「時間差のある2回の光」が反ニュートリノの目印で、1回きりの光しか出さない雑音と区別できます。反応そのものは逆ベータ崩壊と呼ばれますが、「陽子にぶつかって2回に分けて光る」と覚えておけば十分です。

この実験の性格をいちばんよく表しているのが、使えたデータの長さです。運転期間は6年あまりですが、そのうち2基の原子炉が両方とも完全に止まっていた期間は、あわせて17.2日ぶんしかありませんでした（2017年のデータです）。原子炉は基本的に動いているものなので、停止している時間はそもそも短い。その短い窓のデータだけを取り出して、雑音を丁寧に差し引き、停止後の信号を探したわけです。MPIKのアンソニー・オニヨン氏は、この微弱な信号を取り出すには、極めて低い雑音レベルと、ダブル・ショーが長年かけて磨いてきた解析手法の両方が必要だったと説明しています。

106件の検出と予測との一致

上の図の右側にあたるのが、今回の測定です。17.2日のあいだに、停止後の信号が出やすいエネルギー帯で数えられた反ニュートリノの候補は106±18件でした。統計的な確かさは5.9σ（シグマ）で、これは物理学で「偶然ではなく本当に見えた」と認められる目安の5σを超えています。一方、炉に残っている燃料と冷却プールの使用済み燃料について、どの分裂生成物がどれだけ残っていて、それぞれがどんなエネルギーの反ニュートリノを出すかを細かくシミュレーションした予測値は、88±7件。測定と予測は誤差の範囲で一致しました。

数字だけを並べると「予測より多く出た」ように見えますが、そうではありません。106±18というのは、88から124のあいだのどこかという意味で、88±7はその範囲にきれいに収まっています。論文も両者を「非常によく一致している」と評価しています。つまり、止まった原子炉と使用済み燃料から出る反ニュートリノについて、計算で予測されていた量が、初めて実測で裏づけられた。それが今回の成果です。

論文によれば、信号には炉の中に残った燃料からの寄与と、隣の冷却プールに保管されている使用済み燃料からの寄与の両方が含まれています。炉が止まっているときに検出器が拾っていたものの一部は、炉そのものではなく、その脇のプールから来ていたことになります。

炉の外から中身を確かめる技術への道

この結果が意味を持つのは、原子炉の監視という応用があるからです。反ニュートリノは遮蔽を素通りしてくるので、炉の建屋に立ち入らず、炉を開けもせずに、外から中の状態を推し量ることができます。運転中の炉については、出力や燃料の燃え進み具合を反ニュートリノで追う研究が、核物質の管理（保障措置）に関わる機関と物理学者の協力のもとで20年ほど前から続いてきました。今回の測定は、その監視が「炉が止まっている期間」や「炉から出した使用済み燃料」にまで広げられる可能性を示しています。

停止後の反ニュートリノは、使用済み燃料の量と組成、そして冷却がどれだけ進んだかで、放出の強さもエネルギーの分布も変わります。だから、シミュレーションで予測した分布と現場で測った分布を突き合わせれば、燃料の状態を確かめる手段になりうる、というのが研究グループの見立てです。実際、中国のJUNO実験に付属するTAO検出器でも、炉が止まっている期間のデータから使用済み燃料の信号を取り出す試みがすでに始まっており、今回の結果はその比較対象となる最初の公表値になります。

ただし、今回の精度で分かるのは放出量の大きな変化までです。研究グループ自身が、たとえば燃料集合体が数体なくなった程度の変化は、現状では見分けられないだろうと述べています。実用にするには、この目的に特化した検出器を設計し、原子炉や燃料保管施設のさまざまな配置で手法を検証する必要があります。今回の論文は「測れることを示した」段階で、その先はこれからです。

なお、日本はこの分野と縁の深い国です。今回の論文の著者一覧にも、東北大学ニュートリノ科学研究センターをはじめ、神戸大学、東京科学大学、北里大学、東京都立大学が名を連ねています。東北大学は岐阜県の神岡で、原子炉から届く反ニュートリノを観測するKamLAND（カムランド）を運用してきたグループです。止めた炉や取り出した燃料の状態を外から確かめる技術が育っていけば、廃炉や使用済み燃料の管理という現実の課題を抱える日本にとっても、無関係な話ではなさそうです。