微粒子間の不均衡が宇宙論の大きな手がかりとなる

物理学者たちは、ニュートリノと呼ばれる素粒子と、その鏡像である反ニュートリノの挙動の違いを示す、これまでで最も強力な証拠を発見した。この非対称性は、ビッグバンの際に物質が反物質よりもはるかに多く発生した理由を解明する鍵となる可能性がある。物質と反物質が同量であれば、互いに消滅していたはずなので、今日存在するあらゆる物質の存在理由をさらに説明することになる。

「これは、ニュートリノと反ニュートリノの間に大きな非対称性があることを示唆しています」と、イリノイ州フェルミ国立加速器研究所とカナダのヨーク大学に所属するニュートリノ物理学者のデボラ・ハリス氏は述べた。ハリス氏は今回の研究には関わっていない。「これは非常に重要なことです。なぜなら、私たちはどのようなプロセスが物質を反物質よりも優位に傾けたのかを解明しようとしているからです」と彼女は述べた。

「今回初めて確かな兆候が得られたので興奮しています」と、この結果をネイチャー誌に発表した日本のT2K実験の共同スポークスマン、ジュネーブ大学のフェデリコ・サンチェス・ニエト氏は語った。

T2Kチームは2016年にニュートリノと反ニュートリノの挙動に矛盾の兆候を見出し始めた。長年にわたる追加データ収集とデータ分析技術の改良を経て得られた新たな結果は、物理学者が物理的効果の公式な証拠とみなす統計レベルに達した。「効果の重要性は収集されたデータとともに増大します。これは、結果が正しい場合に期待されるものです」と、ドイツのマックス・プランク原子核物理学研究所のニュートリノ物理学者、ヴェルナー・ロデヨハン氏は述べた。同氏は今回の実験には関与していない。

発見を確定的に主張するには十分なデータを集める次世代実験が必要となるものの、ニュートリノと反ニュートリノは可能な限り大きく異なるように見えるため、実験者の予想よりも何年も早く証拠が積み重なっている。「自然は私たちにとても優しいようです」とロデヨハン氏は語った。

ニュートリノはどこにでも存在するが謎に満ち、生成は容易だが捕らえるのは難しい。太陽や恒星の核反応から噴出し、毎秒数兆個ものニュートリノが私たちの体を通り抜けている。この超軽量の粒子は捉えどころがないため、その性質は未だに解明されていない。

1990年代以降の実験では、ニュートリノと反ニュートリノが飛行するにつれて、電子、ミューオン、タウと呼ばれる3つのタイプ、つまり「フレーバー」の間で変化することが示されている。

2010年以来、T2K実験の科学者たちは、日本の東海村でミューオンフレーバーのニュートリノと反ニュートリノを生成し、295キロメートル離れた神岡まで送信しています。神岡には、センサーで覆われた地下の5万トンの純水タンク、スーパーカミオカンデ・ニュートリノ観測施設があります。時折、この捉えにくい粒子の一つがタンク内の原子と相互作用し、特徴的な放射線の閃光を発生させます。科学者たちは、国を横断する旅の途中でミューオンフレーバーから電子フレーバーへと振動したニュートリノと反ニュートリノを探します。

データは、ニュートリノが反ニュートリノよりも振動する確率が高いことを示唆しており、この違いはCP対称性の破れ位相と呼ばれる量で表現されます。もしこの位相がゼロで、ニュートリノと反ニュートリノの挙動が同じであれば、実験では約68個の電子ニュートリノと約20個の反電子ニュートリノが検出されていたはずです。ところが実際には、90個の電子ニュートリノとわずか15個の反電子ニュートリノが検出されました。これは非常に偏った結果であり、CP対称性の破れ位相が理論上可能な限り大きくなる可能性があることを示唆しています。

「我々は最初のろうそくに火を灯した」とサンチェス・ニエト氏は語った。「しかし、最大の成果」、つまりCP対称性の破れの決定的な発見はまだこれからだ。

ニュートリノのCP対称性の破れは、物質が宇宙の初期に支配的になった経緯に関する理論を裏付けています。この理論は、ニュートリノのもう一つの驚くべき性質、すなわち「左巻き」であることに着目しています。つまり、あなたに向かって飛んでくるニュートリノは常に時計回りに回転しているように見えるということです。一方、反ニュートリノはすべて右巻きで、反時計回りに回転します。

このこと、そしてニュートリノの質量が説明のつかないほど小さいという事実を踏まえ、専門家は、ニュートリノと反ニュートリノにはかつて、右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノという、逆の利き手を持つ超重量の対応粒子が存在したのではないかと疑っています。これらの超重量粒子は、高温でエネルギーの高い初期宇宙でのみ形成され、そこで急速に軽い粒子へと崩壊したと考えられます。しかし、もし非対称に崩壊していたとしたら、今日の生命と宇宙を可能にする物質の過剰を容易に生み出していた可能性があります。

この「シーソー」理論が正しいとすれば、軽いニュートリノと反ニュートリノの間のCP対称性の破れは、重いニュートリノにも反映される可能性が高い。「軽いニュートリノにはCP対称性の破れがあるが、重いニュートリノにはCP対称性の破れがないという理論を導き出すのは非常に難しい」とハリス氏は述べた。

米国のNOvA実験もニュートリノ振動を測定し、CP対称性の破れの兆候を発見している。しかし、NOvAとT2K実験の結果を合わせても、統計的な確実性には至らないだろう。将来的には、2027年に運用開始予定の米国DUNE実験や、T2K実験の後継として計画されているT2HK実験など、より大規模な実験によって、CP対称性の破れの位相の価値が明確になるはずだ。「T2K実験の結果は、次世代の実験によってCP対称性の破れの発見と分類できる測定が可能になる宇宙に私たちが住んでいることを示唆しています」とハリス氏は述べた。

一方、重い右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノが初期宇宙に存在し、それらの崩壊によって私たちが目にする物質で満たされた宇宙が形成されたという主張を確固たるものにするには、もう一つの重要な測定が必要となる。物理学者たちは、この枠組みが正しいとすれば起こり得る極めて稀な核崩壊を探している。しかし、これまでのところ、その探索は成果を上げていない。「この点では、自然は私たちを好ましく思っていないようだ」とロデヨハン氏は述べた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。