36°25′21″เหนือ137°18′55″ตะวันออก / 36.4225°N 137.3153°E / 36.4225; 137.3153^{[ 1 ] : 105} เครื่องตรวจจับแอนตินิวตริโนแบบของเหลวเรืองแสงคามิโอกะ (KamLAND)เป็นเครื่องตรวจจับ อิเล็กตรอน แอนตินิวตริโน ที่หอดูดาว คามิโอกะ ซึ่ง เป็นสถานที่ตรวจจับนิวตริโนใต้ดินในเมืองฮิดะ จังหวัดกิฟุประเทศญี่ปุ่นอุปกรณ์นี้ตั้งอยู่ใน ปล่อง เหมือง ในโพรง KamiokaNDEเก่าใน เทือกเขาแอล ป์ของญี่ปุ่นแม้ว่าจะตั้งอยู่ในหอดูดาวคามิโอกะ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมหาวิทยาลัยโตเกียวแต่โครงการนี้ดำเนินการโดยทีมงานจากมหาวิทยาลัยโทโฮคุ สถานที่แห่งนี้ล้อมรอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิง พาณิชย์ของญี่ปุ่น 53 เครื่อง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ผลิตอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน ( ) ในระหว่างการสลายตัวของผลิตภัณฑ์ฟิสชัน กัมมันตรังสี ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เช่นเดียวกับความเข้มของแสงจากหลอดไฟหรือดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไป ฟลักซ์ที่ปล่อยออกมาอย่างเป็นไอ โซโทรปิก จะลดลงที่ 1/R² ^ต่อระยะทาง R ที่เพิ่มขึ้นจากเครื่องปฏิกรณ์ อุปกรณ์นี้มีความไวต่อ แอนตินิวตริโนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้มากถึงประมาณ 25% ที่มีพลังงานเกินเกณฑ์ 1.8 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ซึ่งจะทำให้เกิดสัญญาณในเครื่องตรวจจับ ${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$

หากนิวตริโนมีมวล พวกมันอาจเกิดการแกว่งตัวกลายเป็นชนิดต่างๆที่การทดลองอาจตรวจจับไม่ได้ ส่งผลให้แอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนลดลงหรือ "หายไป" มากยิ่งขึ้น กล้องโทรทัศน์อวกาศ KamLAND ตั้งอยู่ที่ระยะทางเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักด้วยฟลักซ์ประมาณ 180 กิโลเมตรจากเครื่องปฏิกรณ์ ทำให้มีความไวต่อการผสมของนิวตริโนที่เกี่ยวข้องกับวิธีแก้ปัญหาของนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ ที่มีมุมการผสมขนาดใหญ่ (LMA )

ชั้นนอกของเครื่องตรวจจับ KamLAND ประกอบด้วย ภาชนะบรรจุ สแตนเลส ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 เมตร พร้อมซับในเป็นหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ 1,879 หลอด (PMT ขนาด 17 นิ้ว 1,325 หลอด และ PMT ขนาด 20 นิ้ว 554 หลอด) ^{[ 2 ]} ความครอบคลุมของโฟโตแคโทดอยู่ที่ 34% ชั้นในชั้นที่สองประกอบด้วยบอลลูน ไนลอนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง13 เมตรบรรจุด้วยสารเรืองแสง เหลว ที่ประกอบด้วยน้ำมันแร่ 1,000 เมตริกตันเบนซีนและสารเคมีเรืองแสงน้ำมันบริสุทธิ์สูงที่ไม่เรืองแสงช่วยให้ บอลลูน ลอยตัวและทำหน้าที่เป็นตัวกันกระแทกเพื่อกันบอลลูนออกจาก หลอด โฟโตมัลติพลายเออ ร์ นอกจากนี้ น้ำมันยังช่วยป้องกันรังสีจากภายนอก เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟน้ำทรงกระบอกขนาด 3.2 กิโลตันล้อมรอบภาชนะบรรจุ ทำหน้าที่เป็นตัวนับมิวออนและช่วยป้องกันรังสีคอสมิกและกัมมันตภาพรังสีจากหินโดยรอบ

อิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน ( ν )_อีอนุภาค ) ถูกตรวจจับผ่านปฏิกิริยาการสลายตัวแบบเบตาผกผันซึ่งมีเกณฑ์พลังงาน 1.8 MeV แสงวับวาบฉับพลันจากโพซิตรอน ( ) ให้ค่าประมาณของพลังงานแอนตินิวตริโนที่ตกกระทบโดยที่คือพลังงานเหตุการณ์ฉับพลันซึ่งรวมถึงพลังงานจลน์ของโพซิตรอนและ พลังงาน การทำลายล้างปริมาณ < > คือพลังงานการกระดอนเฉลี่ยของนิวตรอนซึ่งมีเพียงไม่กี่สิบกิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) นิวตรอนถูกจับโดยไฮโดรเจนประมาณ 200 ไมโครวินาที (μs) ต่อมา ปล่อยแสงลักษณะเฉพาะ${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}+p\to e^{+}+n}$${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$${\displaystyle e^{+}}$${\displaystyle E_{\nu }=E_{พร้อมท์}+<E_{n}>+0.9MeV}$${\displaystyle E_{prompt}}$${\displaystyle e^{+}e^{-}}$${\displaystyle E_{n}}$รังสีแกมมา 2.2 MeVสัญญาณการเกิดพร้อมกันแบบล่าช้านี้เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากในการแยกแยะแอนตินิวตริโนออกจากพื้นหลังที่เกิดจากอนุภาคอื่นๆ

เพื่อชดเชยการสูญเสียฟลักซ์เนื่องจากฐานการวัดที่ยาว เครื่องตรวจจับ KamLAND จึงมีปริมาตรการตรวจจับที่ใหญ่กว่าอุปกรณ์รุ่นก่อนๆ มาก เครื่องตรวจจับ KamLAND ใช้มวลการตรวจจับ 1,000 เมตริกตัน ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องตรวจจับที่คล้ายกัน เช่นBorexino ถึงสองเท่า อย่างไรก็ตาม ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นของเครื่องตรวจจับยังต้องการการป้องกันรังสีคอสมิกมากขึ้น ทำให้ต้องวางเครื่องตรวจจับไว้ใต้ดิน ${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$

ในฐานะส่วนหนึ่งของการค้นหาการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาของ Kamland-Zen บอลลูนเรืองแสงที่มีซีนอนละลาย 320 กิโลกรัมถูกแขวนไว้ที่ศูนย์กลางของเครื่องตรวจจับในปี 2011 ^{[ 3 ]}มีการวางแผนสร้างบอลลูนใหม่ที่สะอาดกว่าเดิมพร้อมซีนอนเพิ่มเติม KamLAND-PICO เป็นโครงการที่วางแผนไว้ซึ่งจะติดตั้งเครื่องตรวจจับ PICO-LON ใน KamLand เพื่อค้นหาสสารมืด PICO-LON เป็นผลึก NaI(Tl) บริสุทธิ์ทางรังสีที่สังเกตการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นของ WIMP กับนิวเคลียส^{[ 4 ]} มีการวางแผนปรับปรุงเครื่องตรวจจับโดยการเพิ่มกระจกสะท้อนแสงและ PMT ที่มีประสิทธิภาพควอนตัมสูงขึ้น

KamLAND เริ่มเก็บข้อมูลเมื่อวันที่ 17 มกราคม พ.ศ. 2545 รายงานผลลัพธ์แรกโดยใช้ข้อมูลเพียง 145 วัน^{[ 5 ]}หากไม่มีการแกว่งของนิวตริโนคาดการณ์ว่าจะมีเหตุการณ์ 86.8 ± 5.6 ครั้งแต่พบเพียง 54 ครั้งเท่านั้น KamLAND ยืนยันผลลัพธ์นี้ด้วยตัวอย่างข้อมูล 515 วัน^{[ 6 ]}คาดการณ์ว่าจะมีเหตุการณ์ 365.2 ครั้งในกรณีที่ไม่มีการแกว่ง และพบเหตุการณ์ 258 ครั้ง ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันการหายไปของแอนตินิวตริโนด้วยนัยสำคัญสูง

เครื่องตรวจจับ KamLAND ไม่เพียงนับอัตราแอนตินิวตริโนเท่านั้น แต่ยังวัดพลังงานของพวกมันด้วย รูปทรงของสเปกตรัมพลังงานนี้มีข้อมูลเพิ่มเติมที่สามารถใช้ในการตรวจสอบสมมติฐานการแกว่งของนิวตริโน การวิเคราะห์ทางสถิติในปี 2548 แสดงให้เห็นว่าการบิดเบือนสเปกตรัมไม่สอดคล้องกับสมมติฐานที่ไม่มีการแกว่งและกลไกการหายไปทางเลือกสองแบบ ได้แก่ แบบจำลองการสลายตัวของนิวตริโนและแบบจำลองการลดความสอดคล้อง^{[ 7 ]}มันสอดคล้องกับการแกว่งของนิวตริโน 2 ตัว และการปรับให้เหมาะสมจะให้ค่าสำหรับพารามิเตอร์ Δm ²และ θ เนื่องจาก KamLAND วัด Δm ²ได้แม่นยำที่สุด และการทดลองเกี่ยวกับดวงอาทิตย์เกินความสามารถของ KamLAND ในการวัด θ พารามิเตอร์การแกว่งที่แม่นยำที่สุดจึงได้มาจากการรวมกับผลลัพธ์จากดวงอาทิตย์ การปรับให้เหมาะสมแบบรวมกันดังกล่าวให้ค่า และซึ่งเป็นการกำหนดพารามิเตอร์การแกว่งของนิวตริโนที่ดีที่สุดจนถึงปัจจุบัน ตั้งแต่นั้นมาจึงได้ใช้แบบจำลองนิวตริโน 3 ตัว ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7.9_{-0.5}^{+0.6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$${\displaystyle \tan ^{2}\theta =0.40_{-0.07}^{+0.10}}$

รายงานการวัดแบบรวมที่แม่นยำในปี 2551 ^{[ 8 ]}และ 2554 ^{[ 9 ]}

${\displaystyle \Delta m_{21}^{2}=7.59\pm 0.21\cdot 10^{-5}\,{\text{eV}}^{2},\,\,\tan ^{2}\theta _{12}=0.47_{-0.05}^{+0.06}}$

นอกจากนี้ KamLAND ยังเผยแพร่การตรวจสอบแอนตินิวตริโนที่เกิดขึ้นทางธรณีวิทยา (เรียกว่าจีโอนิวตริโน ) ในปี 2548 นิวตริโนเหล่านี้เกิดขึ้นจากการสลายตัวของธอร์เรียมและยูเรเนียมในเปลือกโลกและเนื้อโลก^{[ 10 ]}ตรวจพบจีโอนิวตริโนจำนวนเล็กน้อย และข้อมูลที่จำกัดเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อจำกัดกำลังส่งคลื่นวิทยุ U/Th ให้อยู่ต่ำกว่า 60 TW

ผลลัพธ์การรวมกันกับ Borexino ได้รับการเผยแพร่ในปี 2011 ^{[ 11 ]}โดยวัดฟลักซ์ความร้อน U/Th

ผลลัพธ์ใหม่ในปี 2013 ซึ่งได้รับประโยชน์จากพื้นหลังที่ลดลงเนื่องจากการปิดเครื่องปฏิกรณ์ของญี่ปุ่น สามารถจำกัดการผลิตความร้อนจากกัมมันตรังสี U/Th ให้อยู่ที่TW ^{[ 12 ]}โดยใช้เหตุการณ์ 116 เหตุการณ์ ซึ่งจำกัดแบบจำลององค์ประกอบของโลกซิลิเกตโดยรวมและสอดคล้องกับแบบจำลองโลกอ้างอิง ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$${\displaystyle {\bar {\nu }__{e}}$

KamLAND-Zen ใช้เครื่องตรวจจับเพื่อศึกษาการสลายตัวแบบเบตาของ^136Xeจากบอลลูนที่วางไว้ในตัวเรืองแสงในช่วงฤดูร้อนปี 2011 การสังเกตการณ์ได้กำหนดขีดจำกัดสำหรับครึ่งชีวิตของการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาแบบไร้นิวตริโนไว้ที่1.9 × 10 ²⁵  ปี^{[ 13} ] อายุการสลายตัวแบบเบต้าคู่ยังได้รับการวัดด้วย:  ปี ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาซีนอนอื่นๆ^{[ 3 ] KamLAND-Zen วางแผนที่จะทำการ สังเกตการณ์} อย่างต่อเนื่องด้วยซีนอนที่เสริมคุณค่ามากขึ้นและส่วนประกอบของเครื่องตรวจจับที่ได้รับการปรับปรุง ${\displaystyle 2.38\pm {0.02(\mathrm {stat} )}\pm {0.14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$

มีการเผยแพร่ผลการค้นหาที่ได้รับการปรับปรุงในเดือนสิงหาคม 2559 ซึ่งเพิ่มขีดจำกัดครึ่งชีวิตเป็น1.07 × 10 ²⁶  ปีโดยมีขอบเขตมวลนิวตริโนอยู่ที่ 61–165 meV ^{[ 14 ]}

อุปกรณ์ KamLAND-Zen เครื่องแรกKamLAND-Zen 400ได้ทำการวิจัยสองโครงการเสร็จสิ้น ได้แก่ เฟสที่ 1 (ต.ค. 2554 - มิ.ย. 2555) และเฟสที่ 2 (ธ.ค. 2556 - ต.ค. 2558) ข้อมูลรวมของเฟสที่ 1 และ 2 บ่งชี้ถึงขอบเขตล่างของอายุครึ่งชีวิตของการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาไร้นิวตริโน อุปกรณ์ KamLAND-Zen 400 ดำเนินการตั้งแต่ตุลาคม 2554 ถึงตุลาคม 2558 จากนั้นจึงถูกแทนที่ด้วย KamLAND-Zen 800 ^{[ 15 ]}${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$

อุปกรณ์ทดลอง KamLAND-Zen ชุดที่สองKamLAND-Zen 800ซึ่งมีบอลลูนขนาดใหญ่กว่าบรรจุซีนอนประมาณ 750 กิโลกรัม ได้รับการติดตั้งในเครื่องตรวจจับ KamLAND เมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม 2018 คาดว่าจะเริ่มดำเนินการในช่วงฤดูหนาวปี 2018-2019 โดยคาดว่าจะใช้งานได้นาน 5 ปี^{[ 16 ]}

การทดลอง KamLAND-Zen 800 เริ่มเก็บข้อมูลในเดือนมกราคม 2019 และเผยแพร่ผลลัพธ์แรกในปี 2020 ^{[ 17 ]}ในเดือนมกราคม 2023 คณะทำงาน KamLAND-Zen ได้ใช้ KamLAND-Zen 800 เผยแพร่ผลลัพธ์เกี่ยวกับการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาไร้นิวตริโนใน Xe-136 โดยใช้ข้อมูลที่รวบรวมระหว่างวันที่ 5 กุมภาพันธ์ 2019 ถึง 8 พฤษภาคม 2021 ไม่พบการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาไร้นิวตริโน และขอบล่างที่กำหนดสำหรับครึ่งชีวิตคือ T > ปี ซึ่งสอดคล้องกับขีดจำกัดบนของมวลนิวตริโน Majorana ที่มีประสิทธิภาพที่ 36–156 meV ^{[ 18 ]}ผลลัพธ์เพิ่มเติมที่เผยแพร่ในเดือนธันวาคม 2025 เพิ่มขอบล่างของครึ่งชีวิตเป็น T > ปี ซึ่งสอดคล้องกับมวลที่ 28–122 meV ^{[ 19 ]}${\displaystyle 2.3\times 10^{26}}$${\displaystyle 3.8\times 10^{26}}$

ความร่วมมือระหว่าง KamLAND และ Zen มีแผนที่จะสร้างอุปกรณ์อีกชิ้นหนึ่งชื่อKamLAND2-Zenในระยะยาว

• Abe, S; และคณะ (KamLAND Collaboration) (2008). "การวัดค่าพารามิเตอร์การแกว่งของนิวตริโนอย่างแม่นยำด้วย KamLAND" Physical Review Letters . 100 (22) 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode : 2008PhRvL.100v1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.221803 . PMID  18643415 . S2CID  119291217 .
• Eguchi, K และคณะ (KamLAND Collaboration) (2004). "การค้นหาν ที่มีความไวสูง"_อี's จากดวงอาทิตย์และแหล่งอื่นๆ ที่ KamLAND" Physical Review Letters . 92 (7): 071301– 071305. arXiv : hep-ex/0310047 . Bibcode : 2004PhRvL..92g1301E . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.071301 . PMID  14995837 . S2CID  119360978 .

• เว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ KamLAND
• KamLAND ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Berkeley Lab)
• บันทึกการทดลอง KamLAND บน INSPIRE-HEP