Эксперимент KamLAND проводится в Японии, его основная цель -- поиск осцилляций реакторных антинейтрино. Детектор находится в подземной лаборатории Камиока, в той полости, где раньше был смонтирован детектор Камиоканде. Название KamLAND расшифровывается как Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector. Сооружение установки было начато в 1998 году, а заработала она в начале 2002 года.

Основной (внутренний) детектор установки содержит килотонну жидкого сцинтиллятора в прозрачной нейлоновой сфере диаметром 13 м. Сцинтиллятор является одновременно мишенью для нейтрино, он состоит из раствора псевдокумола в додекане (20:80) с небольшой добавкой дифенилоксазола, который улучшает сцинтилляционные характеристики. Чистота сцинтиллятора по урану, торию и калию (природным радиоактивным элементам, способным давать вклад в фон детектора) доведена до нескольких единиц на 10^-16 г/г. Пластиковая сфера со сцинтиллятором подвешена в центре стальной сферы, заполненной прозрачной смесью жидких парафинов (массой ~2 килотонны). На внутренней поверхности стальной сферы расположены 1879 фотоумножителей двух типов (17- и 20-дюймового диаметра). Момент срабатывания каждого ФЭУ отслеживается с точностью ~3.5 нс, что позволяет не только измерять энергию событий, но и восстанавливать координаты сцинтилляционной вспышки.

Основной детектор смонтирован внутри внешнего защитного водно-черенковского детектора -- в заполненной сверхчистой водой стальной цилиндрической емкости диаметром 18 м. Внешний детектор служит для обнаружения космических мюонов. Хотя почти все мюоны, рождающиеся в верхних слоях атмосферы, поглощаются километровой толщей скалы над подземной лабораторией, небольшая часть их все же достигает установки, и генерируемые ими быстрые нейтроны могут вызвать ложное срабатывание основного детектора. Поэтому после зарегистрированного пролета мюона набор данных основным детектором временно приостанавливается.

Ядерные реакторы (их около 70), которые служат источниками антинейтрино, в среднем удалены от детектора на 175 км, хотя даже реакторы из Кореи вносят некоторый вклад (примерно 2.5%) в общий поток. Суммарная тепловая мощность всех этих реакторов равна 130 ГВт, а поток антинейтрино, который создается ими в месте, где расположена установка, составляет 1х10⁶ см^-2с^-1. Для детектирования антинейтрино используется так называемая реакция обратного бета-распада -- захват электронного антинейтрино протоном, который при этом превращается в нейтрон и излучает позитрон. Позитрон тут же аннигилирует с одним из окружающих электронов, вызывая вспышку в сцинтилляторе. Нейтрон же в течение некоторого времени (в среднем 200 мкс) путешествует в жидкости, а затем захватывается протоном, образуя ядро дейтерия и гамма-квант энергией 2.2 МэВ, который вызывает вторую вспышку. За 145 дней набора данных в энергетическом интервале 1-10 МэВ были обнаружены 54 события такого вида. В то же время Стандартная Модель (которая запрещает осцилляции нейтрино) предсказывает 86.8±5.5 события. Отношение наблюдаемого и предсказанного эффекта составляет 0.611±0.085(stat.)±0.041(syst.). Таким образом, эффект вполне достоверен (четыре сигмы, или 99.9% доверительной вероятности). Результат KamLANDа подтверждает решение LMA (Large Mixing Angle) для параметров смешивания нейтрино, причем наилучшим образом с измерениями согласуется угол смешивания sin²2θ=1.0 и разность масс Δm²=6.9x10^-5 эВ². Это означает, что электронные нейтрино смешаны с остальными двумя ароматами (мюонными и тау) в максимальной степени. Прочие варианты решений -- SMA (малый угол смешивания), LOW (большой угол, малая разность масс) и "Just-So" (большой угол, очень малая разность масс) -- сейчас практически исключены.

Следует отметить, что это первое наблюдение осцилляций реакторных нейтрино. Более ранние эксперименты (на реакторах в Красноярске, Ровно, Саванна-Ривер, Гёсгене, Буже...) были гораздо менее чувствительны, что в первую очередь связано с малым расстоянием детектора от реактора (см.рисунок). Даже более чувствительные недавние эксперименты CHOOZ и Пало-Верде выполнялись лишь на километровом расстоянии от активной зоны. KamLAND, резко увеличив массу мишени и снизив фон, смог продвинуться сразу на два порядка по расстоянию, что и позволило ему попасть в область осцилляций.

В. Кобычев