ニュートリノ、探しています! 日本のスーパーカミオカンデ検出器。 東京大学宇宙線研究所・神岡宇宙素粒子研究施設
By John Beacom, Ohio State University
ニュートリノは忍耐が必要です。 その甲斐あって、1988年、1995年、2002年に続き、2015年のノーベル物理学賞受賞が発表されました。
まず、ニュートリノが素粒子であることをお伝えしたいのですが、それでは慇懃無礼に聞こえてしまいます。 わかりやすいから素粒子というのではなく、一見すると点のような大きさで、それを分解することができないからです。
宇宙で一番小さいもの
原子は、ギリシャ語で「切ることができない」という意味ですが、素粒子ではないので分解できます。
粒子を光速近くまで加速して衝突させる「粒子加速器」は、新しい素粒子の発見に役立っています。 まず、E = mc2により、衝突時のエネルギーを粒子の質量に変換することができます。 また、X線が可視光よりも小さいものを見ることができるように、加速器のビームエネルギーが大きいほど、複合構造をより細かく分解することができます。
私たちは、電子やクォークを分解することはできません。これらは、普通の物質の基本的な構成要素をなす素粒子であり、宇宙のレゴブロックとも言えるものです。 興味深いことに、身近な粒子の中には、数分の1秒しか存在せず、通常の物質には含まれない重いところがたくさんあります。
ニュートリノもその一種である素粒子。 Image credit: MissMJ
ニュートリノとは？
この素粒子であるニュートリノは、他のすべての素粒子とどのように違うのでしょうか？ ニュートリノの特徴は、ほとんど質量がないことと、ほとんど相互作用しないことです。
ニュートリノがなぜほとんど質量を持たないのかは謎です。
ニュートリノがなぜほとんど質量がないのかは謎ですが、なぜほとんど反応しないのかはわかっています。
ニュートリノは通常の物質を構成するものではありませんが、私たちの周りのいたるところに存在しています。
ニュートリノは通常の物質を構成するものではありませんが、私たちの周りにはいたるところに存在しています。
ニュートリノには他にも不思議な点があります。
ニュートリノの3つのフレーバーはほとんど同じなので、理論的にはそれらが互いに変化する可能性がありますが、これはこれらの粒子のもう一つの珍しい側面であり、新しい物理学を明らかにすることができます。 この変化には、ニュートリノの質量がゼロではないこと、種類によって異なること、そして、決まったフレーバーのニュートリノは決まった質量のニュートリノの量子的な組み合わせであること（これは「ニュートリノ混合」と呼ばれています）の3つが必要です。
何十年もの間、これらの条件はどれも満たされないだろうと一般的に予想されていました。
最終的には、自然が提供してくれ、理論家の計算に支えられた実験家が発見しました。
そして1998年、日本のスーパーカミオカンデ実験が、地球の大気中で生成されたミューニュートリノが別の種類のニュートリノ（現在はタウニュートリノと考えられている）に変化していることを示す強力な証拠を発表したのです。 その証拠とは、地球を長い距離を旅してきた「下」から来たニュートリノにはこの現象が起こり、大気中を短い距離だけ旅してきた「上」から来たニュートリノには起こらなかったことです。
Sudbury Neutrino Observatoryのアクリル容器とPMTアレイの底面からの眺め image credit: Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory
2001年と2002年に、カナダのSudbury Neutrino Observatoryは、太陽のコアで生成される電子ニュートリノも味が変わるという強い証拠を発表しました。
いずれの実験でも、理論的に予想されていたニュートリノの数の半分程度が観測されました。
そして、梶田隆章氏とアーサー・マクドナルド氏は、それぞれ半分ずつノーベル賞を受賞しました。
どちらの場合も、通常はミクロの距離でしか作用しない量子力学的な効果が、地球や天文学的な距離のスケールで観測されました。
1998年のニューヨーク・タイムズ紙の一面には、”Mass Found in Elusive Particle; Universe May Never Be the Same “と書かれていました。 ニュートリノのフレーバーの変化を示すこれらの明確な兆候は、実験室での実験で確認され、詳細に測定されて以来、ニュートリノには質量があり、その質量はニュートリノの種類によって異なることを示しています。 興味深いことに、質量の値はまだ分かっていませんが、他の実験では、電子の質量の100万倍程度、あるいはそれよりも小さいはずだと言われています。
これが見出しです。
これが見出しですが、残りの部分は、異なるニュートリノのフレーバー間の混合が実際には非常に大きいということです。 例えば、ニュートリノのフレーバーの変化を観測することはできないだろうというような予測が失敗するのは悪いニュースだと思うかもしれませんが、このような失敗は、新しいことを学ぶという意味では良いことなのです。
国際ニュートリノハンター協会
2015年10月6日、オンタリオ州キングストンのクイーンズ大学で記者会見するカナダ・クイーンズ大学名誉教授のアーサー・B・マクドナルド氏。 マクドナルド氏と日本の梶田隆章氏は、自然界で最もとらえどころのない粒子とされるニュートリノに質量があることを発見したことで、2015年のノーベル物理学賞を共同受賞したと、授賞団体が6日に発表した。 REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOV
私の友人であるタカとアートがこのように評価されたことを嬉しく思います。 また、実験家や理論家など、本質的な部分で貢献した何人かのキーパーソンにも同様の評価をしてもらいたかったですね。 これらの実験の構築と運用には何年もかかりました。これらの実験は、何十年にもわたって行われた、ゆっくりとした、困難で、ほとんど報われない作業の上に成り立っており、何百人もの人々の努力を必要としました。 その中には、スーパーカミオカンデとサドベリー・ニュートリノ観測所の両方に参加したアメリカ人の大活躍も含まれています。
20年以上前、私が初めてニュートリノの研究を始めたとき、著名な科学者を含む多くの人から、時間の無駄だと言われました。 その後、「ニュートリノの研究をしていた人は仕事を得られない」という理由で、他の研究をするように促されました。 そして今でも、多くの物理学者や天文学者が、私たちはほとんど空想上のものを追いかけていると考えています
しかし、私たちはそうではありません。 ニュートリノは実在します。 質量の起源、宇宙の粒子と反粒子の非対称性、そしておそらく他の粒子で試すにはあまりにも微弱な新しい力の存在に光を当てる、物理学には欠かせない存在なのです。
小さな粒子、大きな謎
宇宙で最も奇妙なものを明らかにしたいという好奇心を共有する以上に、なぜあなたは関心を持つべきなのでしょうか？
ニュートリノが感じる弱い力は、陽子を中性子に変え、太陽や他の星の核融合反応に力を与え、惑星や生命そのものを可能にする元素を作り出しています。
ニュートリノは、私たちが理解している暗黒物質の唯一の構成要素であり、残りの構成要素を解明することは、宇宙の構造と進化を理解するのに役立ちます。
最後に、純粋に現実的な話をすれば、ニュートリノ物理学や宇宙物理学は最も難しい仕事の1つであり、信じられないほど感度の高い検出器や技術を発明する必要があります。 この知識は他の用途にも使えます。例えば、ニュートリノ検出器を使えば、原子炉と称するものが稼働しているかどうか、その出力レベルはどの程度か、さらにはプルトニウムを生産しているかどうかまで分かるようになります。
ニュートリノ物理学と天文学の過去数十年は素晴らしいものでしたが、最もエキサイティングなことのいくつかは、まだ始まったばかりです。 南極にあるアイスキューブ・ニュートリノ観測所では、現在、銀河系外からの高エネルギー・ニュートリノを観測しています。 スーパーカミオカンデは、私とマーク・ヴァギンズの提案に基づいて、ニュートリノに比べて反ニュートリノに対する感度を向上させる計画を発表しました。 また、国際社会では、大規模な新しいニュートリノ施設の建設が期待されています。この施設では、強力なニュートリノのビームがイリノイ州のフェルミラボからサウスダコタ州のホームステーク鉱山の地下深くにある検出器に送られます。
そして、それこそが私が本当に待ち望んでいたことなのです。
ジョン・ビーコム（物理学教授、天文学教授、オハイオ州立大学宇宙論・宇宙粒子物理学センター（CCAPP）所長）
この記事はThe Conversationに掲載されました。 オリジナルの記事を読む
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