この巨大な地下ニュートリノ検出器が物理学の謎に挑む

中国南部江門市近郊の地下700メートルに、直径35メートル、2万トン以上の液体で満たされた巨大な球体が、数十年にわたるミッションを開始しました。これが江門地下ニュートリノ観測所「ジュノー」です。科学史上最も謎めいて捉えどころのない粒子を研究する、新たな大規模実験です。

ニュートリノは、宇宙で最も多く存在する質量を持つ粒子です。ニュートリノは基本粒子であり、小さな構成要素に分解されないため、非常に小さく、非常に軽い粒子です。また、電荷を持たず、中性であるため、その名が付けられました。つまり、ニュートリノは接触する他の物質とほとんど相互作用せず、影響を与えることなく通り抜けてしまうため、観測が困難です。そのため、「ゴースト粒子」と呼ばれることもあります。

ニュートリノは、電子、ミュー、タウという3つの異なる「フレーバー」と呼ばれる形態間を遷移（または「振動」）する能力も持っています。（電子フレーバーニュートリノは電子とは異なることに注意してください。電子は負の電荷を持つ、異なる種類の基本粒子です。）

ニュートリノが振動するという事実は、物理学者の梶田隆章とアーサー・ブルース・マクドナルドによって証明されました。彼らは2つの別々の実験で、電子型ニュートリノがミュー型とタウ型のニュートリノに振動することを観測しました。その結果、これらの粒子が質量を持ち、それぞれのフレーバーの質量が異なることを証明しました。この功績により、彼らは2015年にノーベル物理学賞を受賞しました。

フェルミ国立加速器研究所によるニュートリノ振動の解説。

しかし、重要でありながら未だ解明されていない事実が1つあります。それは、これらの質量がどのように順序付けられているか、つまり、3つのフレーバーのうちどれが最も質量が大きく、どれが最も質量が小さいかということです。物理学者がニュートリノの質量をより深く理解できれば、宇宙の振る舞いと進化をよりよく説明できる可能性があります。そこでジュノーが登場します。

ユニークな実験

ニュートリノは従来の粒子検出器では検出できません。科学者たちは、ニュートリノが他の物質と相互作用する稀な兆候を探さなければなりません。そして、まさにこれがジュノーの巨大な球体の目的です。シンチレーターと呼ばれるこの球体は、溶媒と2種類の蛍光化合物からなる高感度液体で満たされています。ニュートリノがこの物質を通過すると、閃光が発生します。液体の周囲には、光電子増倍管と呼ばれる高感度光センサーの膨大な配列を支える巨大なステンレス鋼の格子があり、ニュートリノと液体の相互作用によって生成される光子1個でさえ検出し、測定可能な電気信号に変換することができます。

「ジュノー実験は、以前の実験の成果を引き継いでいますが、規模がはるかに大きいという違いがあります」と、実験副責任者であり、別のニュートリノ探索実験であるボレクシーノの元責任者でもあるジョアッキーノ・ラヌッチ氏は語る。ラヌッチ氏によると、ジュノーの主な特徴の一つは、ニュートリノとその反物質である反ニュートリノの両方を「見る」ことができることだ。ニュートリノは通常、地球の大気圏や地殻中の放射性物質の崩壊によって生成されるか、あるいは宇宙から到来する。つまり、恒星、ブラックホール、超新星、あるいはビッグバンに由来するものだ。一方、反ニュートリノは人工的に生成され、今回の場合は検出器付近に設置された2つの原子力発電所によって生成される。

「ニュートリノと反ニュートリノは伝播するにつれて振動を続け、互いに変化し続けます」とラヌッチ氏は言う。ジュノーはこれらの信号をすべて捉えることができ、その振動の様子を「かつてない精度で」示すことができると彼は説明する。

ジュノーの主目的は、ニュートリノ質量秩序問題の解決策を見つけることです。電子ニュートリノはミューニュートリノよりも軽いことが知られていますが、3つ目のニュートリノフレーバーであるタウニュートリノが他の2つよりも重いのか（その場合、正階層構造と呼ばれます）、そうでないのか（その場合、逆階層構造と呼ばれます）はまだ分かっていません。ジュノーは、原子炉から放出される反ニュートリノのエネルギースペクトルを非常に高解像度で測定することにより、この階層構造が正階層構造か逆階層構造かを明らかにすることを目指しています。共同研究チームは、約6年間のデータ収集を経て、この疑問に対する統計的に有意な答えに近い結果が得られると期待しています。

しかし、この実験の目的はそれだけではありません。さらに後の段階では、いわゆるマヨラナニュートリノに関するさらに深い謎を解明するのに役立つ可能性があります。マヨラナニュートリノとは、理論上は観測されていない粒子です。（マヨラナ粒子とは、同時に自身の反粒子でもある粒子です。したがって、マヨラナニュートリノはニュートリノであると同時に反ニュートリノでもあります。）ニュートリノがマヨラナ粒子であるかどうかを理解できれば、現代物理学における最も複雑な疑問の一つ、つまり、なぜ宇宙では反物質よりも物質が多く観測されるのかという疑問の真相に迫ることができるかもしれません。この疑問に対する完全で首尾一貫した決定的な説明は、未だに得られていません。

この記事はもともとWIRED Italiaに掲載されたもの で、イタリア語から翻訳されています。