物理学者、ニュートリノの質量解明に近づく

宇宙に存在する既知の粒子の中で、ニュートリノより数が多いのは光子だけです。しかし、ニュートリノは豊富に存在するにもかかわらず、物質との相互作用が非常に弱いため、捕らえて調べるのが困難です。この幽霊のような粒子が毎秒約1,000兆個も私たちの体を通り抜けていきますが、原子一つさえほとんど動じません。

「どこにでも存在しているのに、その重さすら分かっていないというのは、ちょっとおかしい」と、シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所とトロントのヨーク大学の物理学者デボラ・ハリス氏は言う。

物理学者たちは長年、この幽霊の重さを測ろうと試みてきた。そして9月、18年にわたる計画、建設、そして調整を経て、ドイツ南西部のカールスルーエ・トリチウムニュートリノ実験（KATRIN）は最初の結果を発表した。ニュートリノの重さは1.1電子ボルト（eV）、つまり電子の質量の約50万分の1を超えることはできないことが判明したのだ。

わずか1ヶ月分のデータから得られたこの初期推定値は、ニュートリノ質量の上限を2 eVとした同様の手法を用いた以前の測定結果よりも改善されています。KATRINは、データが蓄積されるにつれて、上限を示すのではなく、実際の質量を正確に測定することを目指しています。

質量が重要な理由

質量は、素粒子の最も基本的かつ重要な特性の一つです。ニュートリノは、質量が未だ謎に包まれている唯一の既知の粒子です。ニュートリノの質量を測定することは、宇宙の既知の粒子と力の相互作用を非常にうまく記述しているものの、不完全な標準模型を超える新たな物理法則を示唆する助けとなるでしょう。また、測定されたニュートリノの質量は、宇宙の進化に関する宇宙論者の理論を検証する材料にもなります。

「ニュートリノの質量がどの程度になるか次第では、宇宙論において非常に刺激的な時代が到来するかもしれない」と、カーネギーメロン大学の物理学者でKATRINチームのメンバーであるダイアナ・パルノ氏は語った。

ニュートリノは1930年に理論的に予言され、1956年に発見されましたが、約20年前まで質量がないと考えられていました。「大学院生の頃、教科書にはニュートリノには質量がないと書いてありました」とハリス氏は言います。

しかし、2015年のノーベル賞につながる発見によって状況は一変しました。物理学者たちは、ニュートリノが電子、ミューオン、タウという3つの「フレーバー」状態の間を振動しながら、ある種類から別の種類へと変化することを発見したのです。こうした振動は、ニュートリノが3つの質量状態を持つ場合にのみ発生します。この場合、各フレーバーは3つの質量状態それぞれに異なる確率で存在することになります。質量状態はそれぞれ異なる方法で宇宙を移動するため、ニュートリノがA地点からB地点に移動する頃には、この確率の組み合わせが変化し、検出器は異なるフレーバーを測定できるようになります。

3つの異なる質量状態が存在する場合、それらすべてがゼロになるはずはなく、したがってニュートリノは質量を持つ。最近のニュートリノ振動データ（質量状態の実際の値ではなく、状態間の差異を明らかにするもの）によると、最も軽い質量状態がゼロである場合、最も重い質量状態は少なくとも0.0495 eVでなければならない。

それでも、他の粒子の質量と比較すると非常に軽いため、物理学者たちはニュートリノがどのようにしてこれほど小さな質量を持つのか解明できていません。標準模型における他の粒子は、ヒッグス場（全空間を満たし、質量の大きい粒子を引きずるエネルギー場）との相互作用によって質量を獲得します。しかし、ニュートリノの場合、「質量は非常に小さいため、それを説明するには追加の理論が必要です」とパーノ氏は述べています。

ニュートリノが質量を獲得する仕組みを解明することで、宇宙にはなぜ物質が反物質より多く存在するのかといった、一見関連しているように見える他の謎も解明できる可能性があります。質量生成メカニズムに関する複数の競合する理論は、3つの質量状態についてそれぞれ異なる値を予測しています。ニュートリノ振動実験では質量状態間の差を測定してきましたが、KATRINのような実験は3つの質量状態の平均のようなものに着目しています。2種類の測定を組み合わせることで、それぞれの質量状態の値を明らかにし、ニュートリノ質量に関する特定の理論を他の理論よりも支持することができます。

宇宙的な疑問

ニュートリノの質量もまた宇宙にとって重要です。ニュートリノは質量が非常に小さいにもかかわらず、ビッグバンの間に非常に多くのニュートリノが生まれたため、その集合的な重力が宇宙のすべての物質が星や銀河へと凝集する過程に影響を与えました。ビッグバンの約1秒後、ニュートリノはほぼ光速で飛び回っていました。これは他の物質の重力から逃れるほどの速さでした。しかしその後、ニュートリノは減速し始め、原子、星、銀河を囲い込むのに役立ちました。ニュートリノの減速開始点は、その質量によって異なります。より重いニュートリノはより早く減速し、宇宙をより凝集体化させるのに役立ったでしょう。

宇宙の塊の大きさを測定することで、宇宙論者はニュートリノの質量を推定することができます。しかし、この間接的な方法は、宇宙モデルが正しいという仮定に基づいています。そのため、ニュートリノ質量の直接測定とは異なる結果が得られた場合、宇宙論の理論が間違っていることを示唆する可能性があります。

これまでのところ、間接宇宙論的アプローチは、KATRINのような実験による直接的な質量測定よりも感度が高いことが示されています。プランク衛星による最近の宇宙論的データは、3つのニュートリノ質量状態の合計が0.12 eVを超えないことを示唆しており、8月には別の宇宙論的観測の解析により、最も軽い質量は0.086 eV未満でなければならないことが示されました。これらはすべてKATRINの上限をはるかに下回っているため、2つのアプローチの間にはまだ矛盾はありません。しかし、KATRINがより多くのデータを収集するにつれて、食い違いが生じる可能性があります。

次は何？

待望のKATRIN実験は、水素の重い同位体であるトリチウムを用いてニュートリノの質量を測定します。トリチウムがベータ崩壊すると、その原子核は電子と電子ニュートリノを放出します。最もエネルギーの高い電子のエネルギーを測定することで、物理学者は電子ニュートリノのエネルギー、ひいては質量（実際には、寄与する3つの質量の加重平均）を推定することができます。

KATRINが0.2 eVまたは0.3 eV程度の質量を発見した場合、宇宙論研究者は観測結果を整合させるのに苦労するだろうと、ストーニーブルック大学の宇宙論学者マリレナ・ラヴェルデ氏は述べた。考えられる説明の一つは、ニュートリノの質量が宇宙論的に与える影響が時間とともに弱まるような、何らかの新しい現象が考えられる。例えば、ニュートリノがさらに軽い未知の粒子に崩壊し、その速度が光速に近いため物質を凝集できなくなる可能性もある。あるいは、ニュートリノに質量を与えるメカニズムが宇宙の歴史の中で変化してきた可能性もある。

一方、ニュートリノの質量が宇宙論的観測で予測される値に近い場合、KATRINはそれを測定できるほどの感度を持たないでしょう。KATRINはニュートリノを0.2 eVまでしか測定できません。ニュートリノがそれよりも軽い場合、物理学者はその質量に迫り、素粒子物理学と宇宙論の謎を解明するために、より感度の高い実験が必要になります。より感度の高い可能性のある3つのプロジェクト、プロジェクト8、ホルミウム電子捕獲実験、そしてHOLMESは、既に概念実証装置を用いてデータを取得しています。

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。

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