中性子はどれくらい生きられるか？それは聞く人によって違う

物理学者は、原子核から中性子を分離し、瓶に入れ、しばらく経ってから残っている中性子の数を数えると、平均して14分39秒で中性子が放射性崩壊すると推定します。しかし、別の物理学者は中性子ビームを生成し、自由中性子が崩壊して発生する陽子の数を数えると、中性子の平均寿命は約14分48秒と算出します。

「ボトル」と「ビーム」の測定値の食い違いは、中性子寿命を測定する両方の方法が1990年代に結果を示し始めて以来、ずっと続いている。当初は、測定値があまりにも不正確だったため、誰も心配していなかった。しかし、両方の方法は徐々に改善されてきたが、それでもまだ食い違いは残っている。現在、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所の研究者たちは、従来の設計における誤差要因を排除した新型ボトルを用いて、これまでで最も正確な中性子寿命のボトル測定に成功した。まもなくサイエンス誌に掲載されるこの結果は、ビーム実験との食い違いを裏付けるものであり、単なる実験誤差ではなく、新たな物理学を反映している可能性を高めている。

しかし、一体どんな新しい物理学なのか？ 1月、二人の理論物理学者がこの食い違いの原因について、衝撃的な仮説を提唱した。カリフォルニア大学サンディエゴ校のバルトシュ・フォルナルとベンジャミン・グリンスタインは、中性子が時折、暗黒物質に崩壊する可能性があると主張した。暗黒物質とは、重力の影響に基づいて宇宙の物質の7分の6を占めているように見える目に見えない粒子だが、数十年にわたる実験的探索を逃れてきた。もし中性子が陽子ではなく暗黒物質粒子に変化することがあるとすれば、中性子はボトルから消える速度が、ビーム中に陽子が現れる速度よりも速いはずで、まさに観測されている通りである。

フォルナル氏とグリンスタイン氏は、最も単純なシナリオでは、仮説上の暗黒物質粒子の質量は937.9メガ電子ボルトから938.8メガ電子ボルトの間であり、そのような粒子に崩壊する中性子は特定のエネルギーのガンマ線を放出すると結論付けました。「これは実験者が探せる非常に具体的なシグナルです」とフォルナル氏はインタビューで述べています。

ロスアラモスにあるUCNtau実験チーム（超冷中性子と、中性子の寿命を表すギリシャ文字「タウ」にちなんで名付けられました）は先月、次の実験に向けて準備を進めていたまさにその時に、フォルナルとグリンスタインの論文について耳にしました。共同研究チームのメンバーであるチャオウェン・タンとクリス・モリスは、ボトル型装置にゲルマニウム検出器を取り付ければ、内部で中性子が崩壊する際に放出されるガンマ線を測定できることにすぐに気づきました。「チャオウェンがスタンドを製作し、私たちは検出器の部品を組み立ててタンクの隣に設置し、データを取得し始めました」とモリスは言います。

データ解析も同様に迅速だった。フォルナルとグリンスタインの仮説が発表されてわずか1か月後の2月7日、UCNtauチームは物理学プレプリントサイトarxiv.orgで実験結果を報告し、暗黒物質仮説の存在を99%の確率で排除したと主張している。この結果について、フォルナルは暗黒物質仮説が完全に排除されたわけではないと指摘した。中性子が暗黒物質粒子1つとガンマ線1つではなく、2つの暗黒物質粒子に崩壊するという第二のシナリオが存在する。明確な実験的特徴がなければ、このシナリオを検証するのははるかに困難だろう。（フォルナルとグリンスタインの論文とUCNtauチームの論文は現在、Physical Review Letters誌への掲載に向けて同時に審査中である。）

つまり、暗黒物質の証拠は存在しない。しかし、中性子の寿命の乖離はかつてないほど大きくなっている。そして、自由中性子の平均寿命が14分39秒か48秒かは、実際には重要なのだ。

物理学者は、宇宙誕生から数分間に生成されたであろう水素とヘリウムの相対的な存在量を計算するために、中性子の寿命を知る必要がある。その期間に中性子が陽子に崩壊する速度が速ければ速いほど、後にヘリウム原子核に取り込まれる中性子の数は少なくなる。「水素とヘリウムのバランスは、まず第一にビッグバンのダイナミクスを非常に精密に検証するものです」と、テネシー大学とオークリッジ国立研究所の原子核物理学者であるジェフリー・グリーン氏は述べた。「しかし、それはまた、今後数十億年にわたって星がどのように形成されるかを教えてくれます」。なぜなら、水素が多い銀河はより質量が大きく、最終的にはより爆発的な星を形成するからです。このように、中性子の寿命は宇宙の遠い未来の予測に影響を与えるのです。

さらに、中性子と陽子はどちらも、実際にはクォークと呼ばれる素粒子の複合体であり、クォークはグルーオンによって結合しています。安定な原子核の外では、中性子はダウンクォークの1つが弱い核崩壊を起こしてアップクォークに変化することで崩壊します。このとき、中性子は正電荷を持つ陽子に変換され、負の電子と反ニュートリノが代償として放出されます。クォークとグルーオンはそれぞれ単独で研究することができないため、グリーン氏の言葉を借りれば、中性子の崩壊は「素粒子であるクォーク間の相互作用の最良の代替物」となります。

中性子寿命における9秒という不確実性は、これらの理由から解決する必要がある。しかし、何が問題なのか誰も見当もつかない。ビーム実験のベテランであるグリーン氏は、「私たち全員が、それぞれの実験を非常に注意深く検証してきました。どこに問題があるかがわかれば、特定できるはずです」と述べた。

この食い違いが初めて深刻な問題となったのは2005年、ロシアのペテルスブルグ原子核物理研究所のアナトリー・セレブロフ率いるグループとメリーランド州ゲイサーズバーグにある国立標準技術研究所（NIST）の物理学者が、ボトルとビームの測定値をそれぞれ非常に正確（ボトルの測定値の誤差は最大1秒、ビームの測定値の誤差は最大3秒と推定）なものの、両者の測定値には8秒の差があったと報告したときだった。

幾度もの設計改良、独立した検証、そしてヘッドスクラッチを経て、世界平均のボトルとビームの測定値の差はわずかに拡大し、9秒になったものの、誤差は両方とも縮小した。フランスのラウエ・ランジュバン研究所の原子核物理学者で、2005年にセレブロフのチームに所属し、現在はUCNtauに所属するピーター・ゲルテンボルト氏は、このことから2つの可能性が残ると述べた。「本当に何か特異な新しい物理法則が存在するか」、あるいは「誰もが自分の精度を過大評価していたかのどちらかだ」。

NISTをはじめとするビーム実験の専門家たちは、実験における多くの不確実性要因を理解し、最小限に抑えるよう努めてきた。不確実性要因には、中性子ビームの強度、ビームが通過する検出器の容積、そしてビームの全長にわたって崩壊する中性子によって生成される陽子を検出する検出器の効率などが含まれる。グリーン氏は長年、特にビーム強度の測定に不信感を抱いていたが、独立した検証によってその信頼性が証明された。「現時点では、見落とされてきた系統的影響の最良の候補は見当たりません」と彼は述べた。

ボトル側については、表面が滑らかで反射性の高い素材でコーティングされているにもかかわらず、またボトルのサイズを変えることで壁面の損失を補正した後でも、中性子がボトル壁に吸収されているのではないかと専門家は疑っていました。あるいは、ボトル内で残存する中性子を数える標準的な方法に損失があった可能性も考えられます。

しかし、UCNtauの新しい実験は、どちらの説明も否定しました。ロスアラモスの科学者たちは、中性子を物質容器に閉じ込めるのではなく、磁場を使って閉じ込めました。また、残った中性子を外部の検出器に輸送するのではなく、磁性容器の中に入り込み、内部のすべての中性子を素早く吸収する「in-situ検出器」を使用しました。（吸収されるたびに閃光が発生し、光電管によって捉えられます。）しかし、最終的な答えは、以前の容器実験の結果を裏付けています。

唯一の選択肢は前進することだ。「皆が前進しています」とモリス氏は述べた。彼とUCNtauチームは現在もデータ収集を続けており、近日発表予定のScience誌論文の2倍のデータを含む解析を完了させようとしている。彼らは最終的に、わずか0.2秒の不確実性でタウを測定することを目指している。ビーム実験に関しては、ジェフリー・ニコ氏が率いるNISTのグループが現在データ収集を行っており、2年後には1秒の不確実性を目指して結果が得られる見込みだ。また、日本のJ-PARCではJ-PARCと呼ばれる実験も開始されている。

NIST と J-PARC は UCNtau の結果を裏付けて中性子の寿命を最終的に決定するか、あるいは物語は続くことになるだろう。

「これら二つの独立した手法が一致しないという緊張感が、実験の改善を促しているのです」とグリーン氏は述べた。もしボトル法かビーム法が開発されていたら、物理学者たちはタウの値を間違えて計算を進めていたかもしれない。「二つの独立した手法を持つことの利点は、正直さを保つことができることです。私はかつて国立標準技術局で働いていましたが、そこでは『時計を一つ持っている人は何時か分かりますが、二つ持っている人は確信が持てません』と言われていました。」

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。