【トピックス】XENONnT実験での低エネルギー太陽ニュートリノによる電子散乱事象の初観測

XENONコラボレーション
東京大学宇宙線研究所 (ICRR)
神戸大学大学院理学研究科
東京科学大学理学院
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU, WPI)
名古屋大学素粒子宇宙起源研究所 (KMI)
名古屋大学宇宙地球環境研究所 (ISEE)

<発表概要>
　東京大学宇宙線研究所、神戸大学、東京科学大学理学院、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構（Kavli IPMU, WPI）、名古屋大学素粒子宇宙起源研究所（KMI）、名古屋大学宇宙地球環境研究所（ISEE）が参加する、米国・欧州・日本を中心とした国際共同実験XENONコラボレーションは、現在稼働している暗黒物質探索実験であるXENONnT（ゼノンエヌトン）実験において、太陽で生成された低エネルギーのニュートリノと電子の散乱をはじめて観測しました。

　太陽での核融合によって生成されたニュートリノは、太陽から放出される粒子の中で最も数の多いもののひとつです。地球に到達する数は1平方センチメートルあたり毎秒数百億個以上に上りますが、地球上のあらゆる物質とほとんど相互作用することなく通り抜けてしまいます。そのため、ニュートリノの検出には多くの実験的な工夫が必要です。

　2026年8月31日、XENONコラボレーションは、イタリアのINFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso（LNGS）で開催されたセミナーにおいて、XENONnT検出器内で電子と散乱する低エネルギー太陽ニュートリノの初観測を発表しました。この測定により、直接観測可能なニュートリノのエネルギー領域の下限値が約17 keVまで引き下げられました。これは、これまでに直接観測されたニュートリノとして最も低いエネルギーに相当します。検出された信号は、太陽の核融合のエネルギー源である陽子-陽子融合反応で生成されるニュートリノ（ppニュートリノ）によるものが主体となっています。

　XENONnT実験は、未発見の粒子と考えられている銀河の暗黒物質の直接検出を目指した観測を行っています。その中核をなすのは、5.9トンの超高純度液体キセノンを封入した二相式キセノン検出器で、粒子がキセノン標的と相互作用した際に発生する微弱な光や電離信号を検出します。検出器はイタリア、グラン・サッソの地下1,400メートルの岩盤の下に設置され、宇宙線由来のミューオンや中性子を識別・排除する水チェレンコフ検出器に囲まれています。

　低エネルギー領域でこのような微弱なニュートリノ信号を素粒子物理学で発見の基準とされる5σ（シグマ）の統計的有意度で検出するためには、ニュートリノ以外の事象（バックグラウンド事象）をこれまでにないほど低いレベルまで抑える必要がありました。最大の課題は、検出器材料から湧き出してくる微量の放射性ラドンによるものです。長年にわたり、XENONコラボレーションは、徹底的な材料選別と、キセノンからラドンを継続的に除去する専用のオンライン極低温蒸留システムを通じて、このバックグラウンドを抑制する技術を開発してきました。これらの技術的進歩は、他のバックグラウンド低減技術や高度なデータ解析戦略と相まって、低エネルギー太陽ニュートリノによって生成される微弱な信号を検出することを可能にしました。

　この低エネルギー太陽ニュートリノの観測は、岐阜県飛騨市神岡町の地下実験施設で推進された大型の液体キセノン検出器を用いるXMASS実験が目標としてきた研究課題の一つです。日本から参加している研究者の多くは、XMASS実験の研究理念と技術を受け継いでいます。特筆すべき点は、その中の若手研究者が発見に至るデータ解析を主導し、本成果の達成に大きく貢献したことです。

　今回の成果により、XENONnTが対象とする科学研究の幅はさらに広がりました。XENONnTは、2024年に高エネルギー太陽ニュートリノと原子核の散乱を観測しており、今回は新たに、低エネルギー太陽ニュートリノと電子の散乱を捉えました。これにより、本来の目的である暗黒物質探索を進めながら、同じ検出器を用いて性質の異なるニュートリノ反応を観測できることが実証されました。XENONnTは、極稀な低エネルギー粒子反応を捉える世界最高感度の観測装置の一つとして、ニュートリノ物理学においても重要な役割を担いつつあります。

　今回の測定は、LNGSで長年にわたり積み重ねられてきた太陽ニュートリノ研究の系譜に連なる成果でもあります。GALLEX/GNOは、放射化学的手法を用いて低エネルギー太陽ニュートリノのフラックスを初めて測定しました。その後、Borexinoは335 keVのニュートリノエネルギー閾値を実現し、太陽ニュートリノ事象をリアルタイムで測定する道を切り開きました。XENONnTはこれらの成果を受け継ぎ、太陽ニュートリノを直接観測できるエネルギー領域を17 keVまで押し広げました。

　今回の成果は、極めてまれな粒子反応を捉える技術が、暗黒物質探索にとどまらず、幅広い物理研究を切り拓く可能性を示すものです。XENONnTの建設・運用を通じて培われた高感度の検出技術は、次世代の大型液体キセノン検出器を実現するための基盤となります。国際共同実験として計画されているXLZD実験の検出器は、XENONnTよりも1桁大きいターゲット質量を有し、世界最高感度での暗黒物質の探索を可能とするとともに、低エネルギー太陽ニュートリノの精密観測も目指しており、ニュートリノ物理学やその他の極稀事象の研究に新たな可能性を切り拓くものです。

　「今回の低エネルギー太陽ニュートリノの観測は、暗黒物質の探索による技術的進歩が、宇宙へのまったく新しい窓を開いたことを示しています」と、コロンビア大学の教授であり、XENONコラボレーションの研究代表者であるエレナ・アプリーレ氏は述べました。さらに、「これは、もともと自然界で最も稀な相互作用を観測するために開発された技術が、今や当初の科学的目標をはるかに超えた問題への挑戦を可能にしていることを示しています。」と述べました。

※日本グループのXENON1TおよびXENONnT実験に関わる活動は、日本学術振興会・科学研究費助成事業 (23H00104, 24H00223, 24H02240, 24K00659, 24K23938, 24KK0067,24H00223, 25H00628)、同研究拠点形成事業（JPJSCCA20200002）、およびJST創発的研究支援事業（JPMJFR212Q）の支援を受け行われています。

XENONプロジェクトの詳細については、こちらのページをご覧ください。

太陽由来のppニュートリノとは、太陽内部で2つの陽子（proton, p）が核融合を起こし、重水素と陽電子が生成される際に放出される電子ニュートリノです。放出されたニュートリノは太陽中心部から地球へ伝播し、その一部はXENONnT検出器内部の電子を反跳させることで検出されます。太陽内部ではさまざまな核融合反応によってニュートリノが生成されていますが、ppニュートリノは太陽の主たるエネルギー生成反応で生じるニュートリノであり、その放出量は太陽ニュートリノの中で最も多くなっています。©XENON　Collaboration

<宇宙線研究所の貢献>
　本研究には、宇宙線研究所から森山茂栄教授、竹田敦准教授、安部航助教、吉田将特任研究員、大学院生の神長香乃氏、緒續航太郎氏、岡村恭祐氏、櫻井泰嗣氏が参加しています。

　XENON実験は、宇宙に存在する暗黒物質の正体解明を目的として建設された実験装置ですが、その卓越した性能により、本来の目的を超えて、これまで観測が困難であったさまざまな現象の観測を実現してきました。今回報告する成果は、これまでスーパーカミオカンデでは観測できなかった低エネルギー領域の太陽ニュートリノを、XENONnT検出器によって観測したことです。

　本報告に関して森山教授は、「我々が所属する神岡施設の研究者は、2000年頃にスーパーカミオカンデの観測能力を拡張する多目的実験を構想しました。その目的は、暗黒物質の観測に加え、太陽のエネルギー生成の主反応である陽子・陽子連鎖反応によって生じる低エネルギー太陽ニュートリノを観測することを含んでいました。現在XENON実験に参加している日本人研究者の多くは、その目標を受け継いでおり、今回ついにその目標を達成することができました。低エネルギー太陽ニュートリノの観測は、太陽内部で進行する核融合反応を直接検証できる手法であり、太陽標準模型の検証、ニュートリノ振動の研究、さらには太陽内部の元素組成の理解に重要な情報を与えます。暗黒物質直接検出の将来計画であるXLZD実験では、より高い精度で低エネルギー太陽ニュートリノの観測が期待されています。」とコメントしています。

　太陽ニュートリノの背景事象の一つである⁸⁵Krの定量的な評価を行い、それにより高い有意度での観測に貢献してきた神長香乃氏は「私たちは、今回発表した低エネルギー太陽ニュートリノの観測や、暗黒物質の直接検出など、非常に稀な事象の観測を目指しています。このような研究では信号検出を妨げる背景事象を正確に予測することがとても重要です。私はその背景事象の一つである、β線を放出する放射性不純物⁸⁵Krの存在量評価を行いました。その評価には化学や統計など多岐にわたる知見が必要であり、XENON実験の研究者や神岡施設の研究者の皆さまに多くのご助力をいただきました。こうして取り組んできた研究が新たな物理結果につながったことを嬉しく思います。これからも物理学に新たな示唆を与える発見を目指し、研究に取り組んでまいります。」とコメントしています。

　XENONコラボレーションにおいて、日本グループは、SK-Gd実験の経験を活かしたガドリニウム添加水チェレンコフ検出技術による中性子反同時計数検出器や、液体キセノン純化システムの構築や運転に貢献してきました。さらに、さまざまなアプローチによる暗黒物質直接探索のデータ解析を推進するとともに、本報告の成果である低エネルギー太陽ニュートリノの観測においても重要な役割を果たしています。

(連絡先)
Contact Information:
XENONnT Collaboration
Website: https://xenonexperiment.org/
Email: xe-pr@lngs.infn.it
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