ニュートリノに質量があった→大発見

2015年のノーベル物理学賞は東京大学の梶田隆章博士と、クイーンズ大学(カナダ)のアーサー・マクドナルド博士に輝きました受賞テーマは「ニュートリノが質量を持つことを示したニュートリノ振動の発見」です。ニュートリノって何? 震えてるの? 自分とは関係ない話に聞こえるかもしれませんが、とんでもない。「私たちはなぜ宇宙に存在するのか」。そんな好奇心をくすぐる謎に迫るかもしれない研究なのです。

ニュートリノには「大気ニュートリノ」と「太陽ニュートリノ」にまつわる2つの謎がありましたが、それらを解明する鍵を握っていたのがニュートリノ振動でした

ノーベル物理学賞 「ニュートリノに質量があった」70年の定説覆す大発見
■ニュートリノって何?

 ニュートリノは何者なのでしょうか? 身の回りのものをどんどん細かくしていくと分子、原子、原子核などと進み、最終的にアップクォークとダウンクォークと電子という3つの粒に行き着きます。これらの粒は今のところ、これ以上分けることができない最小の粒「素粒子」だと考えられています。物質を作る素粒子は12種類ありますが、ニュートリノもその素粒子の仲間。「電子型」「ミュー型」「タウ型」の3つの種類があります

 実はこのニュートリノ、私たちは生まれた日から浴び続けているのです! 体格にもよりますが、1秒間に100兆個ほど浴びています。今この瞬間も。さぁ目をつぶって、よ~く感じてみてください。何か感じますか?

「感じた」という方は、他人にだまされやすいかもしれないのでご注意を。ニュートリノはとても小さく、他の粒とほとんど影響しないので、体の中をスカスカ通り抜けてしまうのです。ニュートリノは70年もの間「質量がない」と考えられてきました。しかし、ノーベル賞を受賞した2人が率いるグループの実験結果により、ニュートリノに質量があることが分かりました。70年に及ぶ定説を覆す大発見だったのです!

大気ニュートリノの謎

 梶田博士とマクドナルド博士が実験に励んでいたころ、ニュートリノにまつわる「2つの謎」がありました。ひとつが「大気ニュートリノ」の謎です。大気ニュートリノとは、宇宙線(宇宙を飛び交う放射線)が大気と衝突して生み出されるニュートリノのこと宇宙線の粒が大気の原子核にぶつかると、たくさんのパイ中間子が飛び出します。その後、パイ中間子はミューニュートリノとミュー粒子に崩壊しさらにミュー粒子はミューニュートリノと電子ニュートリノと電子になります

つまり、ニュートリノに注目すると、宇宙線が大気に衝突して生み出されるミュー型と電子型のニュートリノの数の比は「2:1」になるはず。しかし、後ほど詳しく説明する観測装置「スーパーカミオカンデ」や、その前進の「カミオカンデ」などで観測されたミュー型の数は、予想された数よりもかなり少なかったのです。(後ほど話しますが、地球の上空からやってくるニュートリノと地球の裏側からやってくるニュートリノの数も予想と違いました)。なぜでしょうか?

 

梶田博士の実験

 それでは、この「大気ニュートリノの謎」にかかわる梶田博士らのグループの実験を紹介したいと思います。活躍したのは、岐阜県北部の山の地下1000メートルに埋まっている「スーパーカミオカンデ」(飛騨市神岡町)という実験装置です。直径40メートル、高さ40メートルの巨大な円筒型のタンクの中は、5万トンの水で満たされています。装置の中に飛び込んでくるニュートリノが、ごくまれに水の原子核や電子と反応して、電気を持った粒が飛び出して青白い輪っかの光を放ちますその光を捉えて間接的にニュートリノを観測する装置です

 梶田博士らのグループはこの装置を使って、大気ニュートリノの数を数えました上空からやってくるニュートリノと、その真逆である地球の裏側からやってくる数を比べてみました。地球に突入する角度が同じであれば宇宙線の粒子の数はほぼ同じ。だから、正反対(180度)の地球の裏側から飛んで来るニュートリノの数は、ほぼ同じになるはずです。

それでは、実験結果を見てみましょう。電子型は2方向から来る数は同じでした。一方、ミュー型は地球の真裏からやってくる数が、上空からやってくる数の半分ほどしかなかったのです

 2方向からやってくるニュートリノの違いは「移動距離」です上空からのニュートリノは大気で生み出されてすぐに装置に飛び込んだものですが地球の裏側からのものは大気でできた後、地球の中を通過して装置に飛び込んだものです。つまり、移動距離が長くなるとミュー型の数が少なくなっていたのです! 電子型の数は2方向の数に違いがありませんでした。そこで、梶田博士らのグループは、ニュートリノが飛んでいる途中に、ミュー型からスーパーカミオカンデでは観測できないタウ型に変わったのではないだろうかと考えたのですそんなことが起こるのでしょうか?

太陽ニュートリノの謎

 太陽ニュートリノとは太陽で生み出されて地球にやってくるニュートリノのこと太陽の中心部で起きている核融合反応により生み出された電子ニュートリノが、8分後に地球に降り注いでいます。1960年代の半ばに初めて観測しましたが、太陽から地球にやってくる電子ニュートリノの数は、太陽モデルの計算により予想された値の3分の1ほどしかなかったのですこれが2つ目の謎「太陽ニュートリノの謎」です。なぜでしょうか?

マクドナルド博士の実験

 マクドナルド博士らのグループはカナダ・オンタリオ州の地下に設置された「サドベリー・ニュートリノ観測所」という実験施設でこの謎の解明に挑みました装置の基本的な仕組みはスーパーカミオカンデと同じですスーパーカミオカンデにはタンクの中に水が入っていましたがサドベリーの装置には重水素と酸素でできた水「重水」が入っていますこの装置で観測できるニュートリノの特徴は2つ。電子型だけを観測できることと、3種類すべての総数を区別せずに観測できることです。装置の中で起きる反応の違いによって、この2つを見分けられるのです。

 それでは、実験結果を見てみましょう。太陽からやってきたニュートリノの数(1平方センチあたり)は、電子型のみが毎秒175万個、3種類の合計は毎秒509万個でした。つまり、電子型が毎秒175万個で、ミュー型とタウ型合わせて毎秒334万個となります

 これは不思議ですね。太陽で生み出されるニュートリノは電子型なので、太陽を出発した時点では100%電子型だったはず。しかし、地球に飛んできて装置の中に入ったときには、電子型は最初の3分の1ほどに減ってしまいました残りの3分の2はミュー型とタウ型に変わってしまったことになります。そんなことが起こるのでしょうか?

鍵をにぎる「ニュートリノ振動」

 宇宙線が大気にぶつかってできるミューニュートリノの数は、なぜ予想より少ないのだろうか(大気ニュートリノの謎)太陽から地球にやってくる電子ニュートリノの数は、なぜ予想より少ないのだろうか(太陽ニュートリノの謎)。この2つの謎に迫る鍵を握っているのが「ニュートリノ振動」なのです。

ニュートリノ振動とはニュートリノの種類が飛行中に変わってしまう現象のこと。チョコボールで例えると、ピーナッツ味を誰かの口に向かって投げたのに、口に入ったときにはキャラメル味になっている。そんな不思議な現象が起こっているのです。

飛行中に“味”が変わる?

 なぜニュートリノの種類が変わってしまうのでしょうか。まずは、ニュートリノを「カフェラテ」に喩えてお話したいと思います。カフェラテは、コーヒーと牛乳を混ぜた飲み物です。同じカフェラテでも、お店によって味が少しずつ違いますよね。ある店では、コーヒーを多めにしているかもしれませんし、別の店では牛乳を多めにしているかもしれません。

実は、電子型やミュー型、タウ型のニュートリノの分け方もフレーバー(香り・味)」と呼ばれていて、いろんな重さを持つニュートリノが混ざり合っています

例えば、混ざり合っているニュートリノの状態を、ニュートリノ1、ニュートリノ2、ニュートリノ3とします。つまり、電子型もミュー型もタウ型も、中身は同じでニュートリノ1、2、3が混ざってできています。混ざっている比率が違うだけなのです。このような考え方を「ニュートリノ混合」と言います。

 「光は粒であり波でもある」と聞いたことがあるかもしれませんが、ニュートリノも粒であり波の性質も持っています。つまり、混ざっているニュートリノ1、2、3は波として空間を伝わります電子型、ミュー型、タウ型のニュートリノは、それぞれこの3つの波を重ね合わせたものなのです

 もし、この3つの波の1秒間に振動する回数(振動数)が違う場合時間が立つにつれて、重ねあわせた波が強め合ったり弱めあったりします。例えば、ギターのチューニングで使うような音叉でも、音の高さ(振動数)が違う2つの音叉を鳴らして近づけると、「ウォ~ン、ウォ~ン、ウォ~ン」と、音が大きくなったり小さくなったりを繰り返して振動する「うなり」が聞こえます

 ニュートリノの場合は、うなりが起こるとどうなるのでしょうか。例えば、ミュー型とタウ型の振動に絞って考えてみましょう。

ミュー型が生み出された瞬間は、うなりの波が強め合うときで、100%ミュー型だったにもかかわらず、しばらく時間がたって波が弱め合うと振幅が0になる。つまり、ミュー型がなくなってしまうのです。一方で、この波をタウ型のニュートリノを基準に見てみると、うなりの強め合う時間(位相)がずれて、ミュー型がなくなったときにうなりの波が強め合って、100%タウ型になっていますこの現象を繰り返すことで、「ミュー型→タウ型→ミュー型」と振動するようにニュートリノの種類(フレーバー)が変わるのです

 そして、このニュートリノ振動が起きるためには、ある条件が必要ですそれは、ニュートリノ1、2、3を重ね合わせた波がうなりを起こすこと。つまり、それぞれの波の振動数が違わなければいけません数学的には、ニュートリノ1、2、3の「質量の差が0ではない」ことが条件です。つまり、ニュートリノ1、2、3が質量を持ち、かつ、それぞれの質量が異なる必要があります。だから、ニュートリノ振動を観測したことで、ニュートリノが質量を持つ証拠になったのです

■「片鱗さへ分かっていない

大宇宙は数限りないニュートリノを住まわせるが、大宇宙の中でニュートリノが果たしている役割は、その片鱗さへ分かっていない」。梶田博士の恩師である戸塚洋二博士が2008年、亡くなる前の闘病中に残した言葉です。ニュートリノはまだまだ謎に包まれています。

宇宙が誕生して間もないころには、物質をつくる粒はなかったと考えられています粒子と反粒子が一緒に生まれては消えていく。そんな反応を繰り返していました。しかし、宇宙誕生から138億年たった今、反粒子はなく粒子だけが残り、私たち生命や星が宇宙に存在していますなぜ粒子だけが残っているのでしょうか私たちはなぜ宇宙に存在するのでしょうかニュートリノの研究は、そんな好奇心をくすぐる謎を解くきっかけになるかもしれないと考えられています。今後の研究ではどんなことが分かるのでしょうか。楽しみですね。

参考 THE PAGE 2015.10.17

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