ニュートリノの大謎は、失われた粒子の正体を示す可能性がある

1993年、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の地下深く、バスほどの大きさの石油タンク内で数本の閃光が見られ、未だに結論が出ていない推理小説の幕開けとなった。

液体シンチレータニュートリノ検出器（LSND）は、既知の素粒子の中で最も軽く、最も捉えにくいニュートリノによって生成される放射線バーストを探査していました。「驚いたことに、まさにそれを見たのです」と、実験リーダーの一人であるビル・ルイスは語りました。

問題は、彼らがあまりにも多くのニュートリノを観測したということだった。理論家たちは、ニュートリノが飛行中に種類を振動させる可能性があると仮定していた。この仮説は、様々な天文学的観測を説明するものだった。LSNDはこの仮説を検証するため、既知の3種類のうちの1つであるミューオンニュートリノのビームを石油タンクに照射し、そこに到達する電子ニュートリノの数を数えることにした。しかし、ルイスと彼のチームは、ニュートリノ振動の単純な理論が予測するよりもはるかに多くの電子ニュートリノがタンクに到達したことを検出した。

それ以来、数十基ものニュートリノ実験施設が建設され、そのどれもが前よりも大規模になっている。山岳地帯、廃坑となった鉱山の洞窟、南極の氷床など、物理学者たちはこの悪名高い滑りやすい粒子のために大聖堂を建ててきた。しかし、これらの実験はあらゆる角度からニュートリノを調べる一方で、粒子の挙動に関する矛盾した像を次々と生み出していった。「陰謀はますます複雑化している」とルイは言った。

「非常に分かりにくい話です。私はそれを『分岐する道の庭』と呼んでいます」と、ハーバード大学のニュートリノ物理学者、カルロス・アルゲレス＝デルガド氏は述べた。ホルヘ・ルイス・ボルヘスが1941年に発表した同名の短編小説では、時間は無限の未来へと分岐していく。ニュートリノに関しては、矛盾する結果が理論家を様々な道へと導き、どのデータを信頼すべきか、どのデータが誤りにつながるのか分からなくさせてきた。「どんな探偵小説でもそうですが、手がかりを見つけても、それが間違った方向に導いてしまうことがあるのです」とアルゲレス＝デルガド氏は述べた。

LSND異常の最も単純な説明は、「ステライルニュートリノ」と呼ばれる、新たな第4種のニュートリノの存在である。このニュートリノは、新たな規則に従って全ての種類のニュートリノを混合する。ステライルニュートリノは、石油タンクまでの短距離において、ミューオンニュートリノをより容易に電子ニュートリノへと振動させる。

しかし、時が経つにつれ、ステライルニュートリノは他の実験結果と一致しなくなっていった。「我々は最強の理論を持っていたが、問題は他の場所ではそれが見事に破綻していたことだ」とアルゲレス＝デルガドは語った。「我々は森の奥深くにいて、そこから抜け出す必要があったのだ」

物理学者たちは、後戻りを余儀なくされ、ヒントと中途半端な結果の混乱の背後にあるものを改めて考え直している。近年、彼らはステライルニュートリノよりも複雑な新たな理論を考案した。もしこれが正しければ、物理学に根本的な革命をもたらし、ニュートリノ振動データの異常性や物理学の他の主要な謎を解明することになるだろう。特に、新たなモデルは、銀河を覆う目に見えない物質で、通常の物質の4倍も存在するとみられる暗黒物質を説明できる可能性のある、より重いニュートリノの存在を示唆している。

シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所の MicroBooNE 実験で昨日発表された 4 つの分析と、南極の IceCube 検出器による最近の別の研究はどちらも、これらのより複雑なニュートリノ理論が正しい方向に進んでいる可能性を示唆しているが、将来はまだはっきりとはしていない。

「何かが起こっているような気がします」とアルゲレス＝デルガド氏は語った。「発見につながるような、非常に緊張感のある雰囲気です。」

絶望的な治療法

1930年、ヴォルフガング・パウリは放射性崩壊中にエネルギーがどこへ消えていくのかを説明するためにニュートリノの存在を仮定しましたが、彼はそれを「苦肉の策」と呼びました。彼の理論的構築物には質量も電荷も存在しなかったため、実験で検出できるかどうか疑問視していました。「理論家が決してやるべきことではない」と彼は当時の日記に記しています。しかし1956年、LSNDとよく似た実験で、ニュートリノは存在しました。

物理学者たちがニュートリノの自然発生源である太陽から来るニュートリノを検出し、その数が星の核反応の理論モデルで予測された数の半分にも満たなかったため、トライアンフ計画はすぐに混乱に陥りました。1990年代までに、ニュートリノが奇妙な振る舞いをしていることが明らかになりました。太陽ニュートリノが不可解に消えたように見えるだけでなく、宇宙線が上層大気と衝突して地球に降り注ぐニュートリノも消えたのです。

イタリアの物理学者ブルーノ・ポンテコルヴォが以前提唱した解決策の一つは、ニュートリノが形を変えるというものでした。多くの素粒子と同様に、ニュートリノには電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノの3種類があります。そのため、ポンテコルヴォは、ニュートリノは消滅するのではなく、移動中にこれらの種類の間で変化する可能性があると示唆しました。例えば、太陽から放出される電子ニュートリノの一部はミューオンニュートリノに変化し、消滅したように見える可能性があります。やがて理論家たちは、ニュートリノがエネルギーと移動距離に応じて種類を振動させる仕組みを解明し、太陽や空から得られるデータと一致するようになりました。

しかし、ニュートリノが形状を変えるという考えは、多くの物理学者にとって受け入れ難いものでした。この計算は、3種類のニュートリノがそれぞれ3つの異なる質量の量子力学的混合体である場合にのみ成立します。言い換えれば、形状が変化するということは、ニュートリノが質量を持つ必要があることを意味します。しかし、既知の素粒子と力を記述する、十分に検証された一連の方程式である素粒子物理学の標準モデルは、ニュートリノが質量を持たないと明確にみなしています。

太陽と大気は複雑な構造をしているため、LSNDには専用のニュートリノ源が設置され、形状変化のより決定的な証拠を探しました。研究者たちはすぐにそれを見つけました。「ほぼ毎週、候補となるニュートリノを発見していました」とルイスは言います。1995年、ニューヨーク・タイムズ紙は、この実験で発見された形状変化を起こすニュートリノに関する記事を一面で掲載しました。

LSND実験への批判者たちは、検出器の誤差要因と天然ニュートリノ源からの干渉の可能性を指摘した。ニュートリノが振動し質量を持つという考えを支持する科学者たちでさえ、LSNDの数値を信用しなかった。推定された振動率が太陽ニュートリノや大気ニュートリノから推定される振動率を上回ったためである。太陽と大気のデータは、ニュートリノが既知の3種のニュートリノ間でのみ振動することを示唆していた。4種目のステライルニュートリノ（電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノを原子と接触させ、検出可能にする力を受けないはずであることからこの名が付けられた）を加えると、LSNDのデータにより適合した。

1990年代後半から2000年代初頭にかけて行われたSNO、スーパーカミオカンデ、カムランドと呼ばれる一連の決定的なニュートリノ振動実験は、3ニュートリノ振動モデルを強く支持し、関与した研究者の一部がノーベル賞を受賞しました。しかし、4つ目のステライルニュートリノとされる存在は影に潜んでいました。

異常追跡者

実験ではしばしば異常現象が出現し、その後の調査で消えてしまうため、多くの研究者は最初はそれを無視してしまう。しかし、マサチューセッツ工科大学の教授で「誇り高き異常追跡者」であるジャネット・コンラッド氏は、こうした特異性にやりがいを感じている。「私たちは散らかし屋です。散らかっていても気にしません。むしろ、楽しんでいるんです」と、彼女は最近Zoomで語った。

コンラッドが1993年に博士号を取得しようとしていた頃、ほとんどの素粒子物理学者は衝突型加速器で粒子を衝突させ、破片の中から新たな粒子を生み出そうとしていました。標準模型の粒子全てに対して鏡像粒子の完全な集合を予測する超対称性といった、美しく包括的な理論が流行していましたが、ニュートリノ振動の微妙な性質はそうではありませんでした。それでも、コンラッドはLSNDの結果に興味をそそられ、それを追求することを決意しました。「私は自然に語りかけてほしいのです。自然に何をすべきかを指示したいのではなく」と彼女は言いました。

90年代後半、コンラッドと異常現象に関心を持つ同僚たちはLSND検出器に降り立ち、1,000個以上の琥珀色のセンサーを慎重に取り出し、厚いオイルを拭き取り、フェルミ国立加速器研究所に設置された3階建ての高さの球体、MiniBooNEと呼ばれるニュートリノ検出器に設置した。「足場の上にヨガマットを敷いて、上を見上げました」と彼女は言う。「まるで小さな琥珀色の月が散りばめられた宇宙のようでした。本当に美しかったです」

この強化版の LSND は、2002 年から 2019 年までデータを収集しました。5 年間の長期運用を経て、MiniBooNE は同様の異常なニュートリノ振動率を観測し始めました。これは、LSND の結果が偶然ではなく、余分な軽量ニュートリノが存在する可能性があることを示唆しています。

しかし、MiniBooNEの実験が進行中に、他の実験が開始されました。それぞれが異なるニュートリノの飛行距離とエネルギーを調べ、それがニュートリノの形状変化にどのような影響を与えるかを調べました。その結果は3ニュートリノモデルを裏付けるものとなり、LSNDだけでなくMiniBooNEにも矛盾する結果となりました。

ステライルニュートリノの死

異常現象の追跡者たちは岐路に立たされ、兆候は正反対の方向を指し示していた。ニュートリノが4つよりも3つ存在するという証拠の方が多かった。そして、プランク宇宙望遠鏡によってステライルニュートリノに更なる打撃がもたらされた。

2013年、プランク宇宙望遠鏡は、ビッグバン直後の宇宙の姿を、宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる微弱な電波を検出することで、非常に詳細な画像として捉えました。プランクが捉えたこの原始的な光の画像により、宇宙論者たちは初期宇宙に関する理論を根本的に詳細に検証することができました。

初期宇宙では、ニュートリノは非常にエネルギーが高く、宇宙の膨張速度に大きな影響を与えていたと考えられます。プランク宇宙マイクロ波背景放射のデータから膨張速度を推定することで、研究者たちは若い宇宙に何種類のニュートリノが存在していたかを推定できました。データは3種類のニュートリノが存在することを示唆していました。この観測結果と他の宇宙論的観測結果から、「4番目のニュートリノ種の存在はほぼ確実に排除された」と、欧州原子核研究機構（CERN）の理論物理学者ヨアヒム・コップ氏は述べています。少なくとも、理論家たちが考えていた単純で軽量で無力なニュートリノ種は排除されました。

2018年までに、ゲームは終わったと誰もが同意した。ドイツのハイデルベルクで開催されたニュートリノ物理学会議で、ミケーレ・マルトーニは大講堂に立ち上がり、ステライルニュートリノの終焉を宣言した。「彼はこう言った。『もしそれが終わったことを知らなかったなら、今こそそれが終わったと知るべきだ』」とアルゲレス＝デルガドは回想する。

マルトーニ氏の発表は、ニュートリノ理論家にとって新たなアイデアの必要性を改めて認識させる警鐘となった。「前進への道は閉ざされてしまった」とアルゲレス＝デルガド氏はボルヘスの比喩を引用しながら語った。「では、これからどう行動すればいいのだろうか？」

彼と彼の同僚たちは、ステライルニュートリノという概念の根拠となった仮定を再検討し始めた。「物理学では常にオッカムの剃刀のアプローチをとっていますよね？ 私たちは最も単純な仮定、つまり振動挙動以外何もしない単一の新しい粒子という仮定から始めました」と彼は言った。「おそらくそれは愚かな仮定だったでしょう。」

ダークセクター

過去3年間、ニュートリノ物理学者たちは、複数のニュートリノがそれぞれ独自の力によって相互作用する可能性があるという可能性について、ますます考察を深めてきました。この目に見えない粒子の「ダークセクター」は、電子、クォーク、その他の標準模型の粒子に似た（しかし独立した）複雑な相互関係を持つと考えられます。「このダークセクターが豊かで複雑な存在である可能性は十分にあります」と、カナダ、ウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論物理学者マテウス・ホスタート氏は述べています。

モデルに秘密の力を加えることで、初期宇宙で生成されたであろうニュートリノの数を抑制し、プランク望遠鏡が提示するハードルを回避できる可能性がある。そして、非常に多くの特徴を持つダークセクターは、私たちの理解における多くの穴を一度に埋めることができるかもしれない。1990年代にニュートリノに質量があることが発見されて以来、理論家たちは、銀河を飲み込んでいるように見える膨大な量のダークマターをニュートリノで説明できるのではないかと考えてきた。彼らはすぐに、既知の3種類のニュートリノは、その質量に必要なほどには程遠いと結論付けた。しかし、もしより大規模なニュートリノ族（重いニュートリノも含む）が存在するなら、説明できるかもしれない。

目に見えないながらも豊かなダークセクターという概念は新しいものではないが、こうしたモデルの数は爆発的に増加している。この研究は、暗黒物質とニュートリノ異常という異なる問題を一つの傘の下にまとめている。「収束が見られた」とアルゲレス＝デルガド氏は述べた。

豊富で複雑なダークセクターは、現在の宇宙が予想よりも速く膨張しているように見える理由（ハッブル・テンションとして知られる現象）や、ダークマターが単一の不活性粒子であるとすれば銀河が本来あるべきほど密集していないように見える理由を解明する手がかりとなる可能性がある。「ここでダークマターの物理特性を変えることは、この種の宇宙論的テンションに真に影響を与えるだろう」と、プリンストン大学の天体物理学者クリスティーナ・クライシュ氏は述べた。

これらのモデルは、既存の考えとも共鳴する。例えば、非常に重いニュートリノの存在は、数十年前に初めて仮説として提唱され、既知の3種類のニュートリノの質量が不可解なほど小さいことを説明するものだった。（「シーソー機構」では、既知の軽いニュートリノと重いニュートリノの質量は逆相関関係にある可能性がある。）また、ビッグバン直後の重いニュートリノの崩壊は、宇宙に反物質よりも物質がはるかに多く存在する理由の一つとして示唆されている。「私を含め、多くの人がこうした関連性の探求に取り組んでいます」とコップ氏は述べた。

今年初め、アルゲレス＝デルガド、コンラッド、そして数名の共同研究者らは、質量の異なる3種類の重いニュートリノを含むダークセクターモデルを提唱し、まもなくPhysical Review D誌に掲載される予定です。このモデルは、重いニュートリノの崩壊と軽いニュートリノの振動を組み合わせることで、LSNDとMiniBooNEのデータを説明することができます。また、ニュートリノ質量の起源、シーソー機構を介した宇宙の物質・反物質非対称性、そしてダークマターについても説明の余地を残しています。

異常現象追跡者たちは、MiniBooNE実験の欠陥を考察することで、この新しいモデルを考案した。この実験では、電子ニュートリノによって生成される信号と特定の粒子の崩壊によって生成される信号を区別できない。この欠陥により、軽いニュートリノが種類間を振動するだけでなく、重いニュートリノも検出器内で崩壊し、信号が大量に発生する可能性が浮上した。

最新の実験結果が、この見解を裏付けています。MiniBooNEの欠陥を修正するために再構成された後継実験であるフェルミ国立加速器研究所のMicroBooNE実験は、ステライルニュートリノだけではMiniBooNEの異常を説明できないことを、まもなく Physical Review Letters誌に報告する 予定です。しかし、この結果は、MiniBooNEの事象の半分だけがニュートリノ振動によるものである可能性と整合しています。MicroBooNEは最近、標準模型でよく知られている粒子の崩壊では、残りの事象をほぼ確実に説明できないと報告しました。MiniBooNE内部でダークセクターからの重粒子が崩壊する可能性は、来年のMicroBooNEの次期リリースで明らかになるでしょう。

物理学者たちもまた、ダークセクターモデルを既存データと照合するという、古い手法を踏襲している。例えば、南極の氷床下数キロメートルの深さに埋め込まれた5,000個の検出器アレイであるアイスキューブ実験のチームは、2016年以降、ステライルニュートリノが氷を通過した兆候は見られなかったという一連の主張を発表してきたが、その主張はどれも確信度を増している。しかし、今月初めに投稿された分析によると、ステライルニュートリノが他の目に見えない粒子に崩壊する可能性があるとすれば、アイスキューブのデータは実際にはステライルニュートリノの存在を裏付けていることが明らかになった。チームの完全な分析はまだ発表されておらず、研究者たちは確実な結論を出す前にこの評価を行う必要があると強調している。

最後に、すべてのニュートリノ振動実験を総合的に考慮した分析でも、ステライルニュートリノの崩壊を支持する結果が得られました。

目に見えない粒子の塊の存在に関する大胆な主張には大胆な証拠が必要であり、誰もが納得しているわけではない。「私はあらゆる異常性に賭けてきました」と、ニュートリノ質量のシーソーモデルの考案者の一人であるミュンヘン・ルートヴィヒ・マクシミリアン大学のゴラン・セニャノビッチ氏は述べた。実験結果の驚きを説明するために、ますます多くの粒子を仮定するのではなく、「何よりもまず」確立された理論に導かれるべきであり、非常に成功した標準モデルからほんの少しだけ踏み出すべきだとセニャノビッチ氏は述べた。

しかし、分岐路の庭では、ミニマリズムとシンプルさという前提がしばしば誤りであることが判明しています。標準モデルは、電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノは質量がないと予測していますが、実際にはそうではありません。かつて理論家たちは、これらのニュートリノに質量があれば、暗黒物質を説明するのに十分な質量を持っているはずだと考えていましたが、実際にはそうではありません。おそらく、標準モデルのはるかに精巧な拡張が必要な​​のでしょう。コンラッドのような物理学者は、手がかりを求めて異常現象を追うことの利点を強調しています。

迷路から抜け出して

今の課題は、仮説上のダークセクターがまさに「暗い」ものであることを前提に、いかにしてそこにアクセスするかだ。パウリは、検出不可能な粒子を発明することは理論家がすべきことではないと忠告した。幸いなことに、物理学者たちは、おなじみの3つのニュートリノを通して、目に見えない世界のささやきを聞くことができるかもしれない。「ニュートリノ自体は本質的にダーク粒子です」と、ニューヨーク大学の素粒子物理学者ニール・ワイナーは述べた。「ニュートリノは他のダーク粒子と相互作用し、混ざり合う能力を持っています。これは標準模型の他の粒子にはできないことです。」

今後予定されている新たなニュートリノ実験は、ダークセクターへの扉を開く可能性があります。MicroBooNEに続き、フェルミ国立加速器研究所のSBND実験とICARUS実験が間もなく始動し、複数の距離とエネルギーにおけるニュートリノ振動を観測し、振動の完全なパターンを明らかにします。一方、フェルミ国立加速器研究所のDUNE実験は、より重いダークセクター粒子にも感度を持つようになります。「静止崩壊」実験において、リチウム8などの放射性源から噴出するニュートリノを注意深く観察することで、現在の混乱した結果に新たな視点が得られるだろうとコンラッド氏は述べています。

IceCubeもまた、特異な視点を提供します。この実験は、宇宙線が地球の大気圏に衝突した際に生成される非常に高エネルギーのニュートリノを検出できます。これらのニュートリノはIceCube内部の粒子に散乱し、MiniBooNE内で崩壊するとみられる、エキゾチックで重いニュートリノに変化する可能性があります。もしIceCubeがこの散乱と、それに続く重ニュートリノの崩壊をある程度離れた場所で観測すれば、この「ダブルバン」の兆候は「新粒子の非常に強力な証拠となるだろう」とHostert氏は述べています。

これらの可能性は、ダークセクターを「単なるおとぎ話ではない」とワイナー氏は述べた。しかし、たとえダークセクターが存在し、おなじみのニュートリノが媒介物として作用したとしても、その繋がりが隠されたものを明らかにするほど強力であるという保証はない。「重いニュートリノは、どんな合理的な実験でも全くアクセスできない可能性がある」とミシガン大学のジョシュ・スピッツ氏は述べた。

LSNDに始まり、これまでに発生したニュートリノ異常現象のそれぞれに、それぞれに平凡な説明がつく可能性も依然として残されている。「もしかしたら、それら全てが間違っていて、それらが互いに何らかの関連があるように見えるのは、ただ単に信じられないほど不運なだけなのかもしれません」とコンラッド氏は述べた。「それは自然が非常に残酷であるということでしょう。」

一方、アルゲレス＝デルガド氏は、最終的にはこの迷路から抜け出せると楽観視している。「科学は段階的に進んでいくものですが、突然何かがパチンと音を立てるんです」と彼は言う。「私は手がかりを積み重ね、探究しています。情報の中には信頼できるものもあれば、そうでないものもあります。自分で判断するしかないのです。」

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。