超「魅力的な」素粒子が、失われた謎を解き明かす？

ニュートリノは最も興味深い素粒子かもしれません。これらは提案されて以来、人類の認識を絶えず刷新してきました。ニュートリノに関しては、現在でも解明されていない謎が数多く残っています。今日はそのうちの一つについてお話します。

私たちの体には毎瞬大量のニュートリノが通過しています。これらのニュートリノの最大の発生源はどこですか?それは太陽です。太陽は巨大な核融合炉です。簡単に言えば、太陽は絶えず爆発している水素爆弾です。太陽で起こる核融合反応では毎秒6億2000万トンの水素が消費され、その過程で大量のニュートリノが生成されます。太陽の理論モデルに基づいて、太陽が生成するニュートリノのおおよその数を大まかに計算することができます。不思議なことに、実験で実際に検出されたニュートリノの数は理論値の3分の1に過ぎませんでした。この事件は当時「太陽ニュートリノ消失の謎」と呼ばれていた。

具体的には、1970 年代に人々がこれを発見しました。ニュートリノは物質とほとんど反応しませんが、ニュートリノと反応するものが存在します。それは塩素37です。ニュートリノは塩素37と反応してアルゴン37と電子を生成しますが、アルゴンは不活性ガスです。この事件は、当時アメリカの物理学者であったデイビスという男性にインスピレーションを与えました。デイビスは検出媒体としてテトラクロロエチレンを使用することを決定しました。テトラクロロエチレンは洗浄剤の主成分であり、一般的にドライクリーニング店で使用されています。刺激的で甘い香りがあり、揮発性があります。高濃度の場合、中毒や癌を引き起こす可能性があります。デイビスがパークロロエチレンを大量に購入した時、人々は彼がランドリー事業を始めるつもりだと思った。この研究所は、米国のホームステイク金鉱山の地下1,500メートルの鉱山内に建設されました。 600トン以上のテトラクロロエチレン溶液が混合されました。塩素がアルゴンに変換されるとガスが発生し、小さな泡が出てくるので、ニュートリノと塩素元素が衝突したことが証明できます。しかし、同じ理由で、ニュートリノ衝突の確率は低すぎます。デイビスは30年以上も地下鉱山に留まりましたが、この30年間に検出したニュートリノは約2,000個に過ぎませんでした。しかし、まさにこの 2,000 個のニュートリノのデータによって、人々は「失われた太陽ニュートリノの謎」を発見したのであり、それは容易なことではありませんでした。

日本の物理学者には小柴昌俊さんもおり、彼は日本の深さ1,000メートルの鉱山で実験を行った。彼は5万トンの純水と1万本以上の光電子増倍管を使用しました。ニュートリノが純水中の原子核と衝突すると、淡い青色の光が放出されました。この現象はチェレンコフ放射と呼ばれます。次に、検出器を使用してこのかすかな青い光を検出します。検出された場合、ニュートリノ衝突が発生したことを意味します。確率はまだ非常に低いですが、小柴昌俊はデイビスよりはるかに幸運です。彼の実験は1986年末に正式に始まりました。1987年初頭、1987年2月24日に何かが起こりました。大マゼラン雲で超新星が爆発した。これは、1604 年のケプラーの超新星以来観測された最も明るい超新星爆発でした。それがもたらした電磁放射は銀河全体を照らすほどで、通常は数週間から数か月間続きました。 1987年のこの超新星は多くの天文学者によって観測されました。これは小柴昌俊の幸運だった。その日、彼は突然、神岡研究室で大量のニュートリノが検出されたことに気づいた。多数といいましたが、実際は13個だけで、普段はたまに1個か2個程度なので、数倍多い数でした！何かおかしいと感じましたが、案の定、3時間後に誰かが電話をかけてきて、大マゼラン雲で超新星が爆発したと伝えてきました。この感覚は本当に素晴らしいです。この超新星は私たちから168,000光年離れており、小柴昌俊氏は少なくとも168,000年前に生成されたニュートリノを検出したことになります。

2002年のノーベル物理学賞はデイビス氏と小柴昌俊氏に授与されることが決定した。 2002年当時、デイビス氏は88歳、小柴昌俊氏は76歳だった。二人の実験データによると、太陽からのニュートリノの3分の2が不可解な理由で失われているという「太陽ニュートリノ消失の謎」が確認されたという。彼らはどこへ行きましたか？この質問に対する答えは近年まで与えられていませんでした。ニュートリノには1種類だけではなく、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3種類があることが発見されました。デイビス氏とシャオ・チャイ氏が実験で検出したのは電子ニュートリノのみであり、当然ながらその量は3分の2以下だった。さらに、これら 3 種類のニュートリノは時間の経過とともに互いに変化する可能性があり、このプロセスはニュートリノ振動と呼ばれます。ニュートリノが振動できるのであれば、静止質量を持っているはずなので、近年多くの物理学者がこのテーマを研究しています。ニュートリノ振動を実験で初めて証明したのは、小柴昌俊の弟子である梶田隆章でした。実験場所は当時小柴昌俊氏が使用していた神岡研究所であった。もう一人の物理学者はカナダ出身のアーサー・マクドナルドです。彼は梶田隆章氏とともに、実験でニュートリノ振動を発見し、ニュートリノに質量があることを証明したことで、2015年のノーベル物理学賞を共同受賞した。現在、最も先進的なニュートリノ観測所は南極の氷の下にあります。このニュートリノ観測所はアイスキューブと呼ばれ、2010年12月8日に完成しました。2018年7月12日、アイスキューブニュートリノ観測所は高エネルギー宇宙ニュートリノの発生源を初めて確認したと発表しました。人類は37億光年離れたところから放出されたニュートリノを検出した。これは、ニュートリノ検出器が宇宙の物体の位置を特定するために使用された人類史上初の事例でもある。

しかし、ニュートリノには第4の種類が存在するのかなど、まだ解明されていない謎が数多く残っています。ニュートリノの反粒子はニュートリノそのものですかね？つまり、ニュートリノはマヨラナ粒子なのでしょうか?ニュートリノは暗黒物質ですか？などなど。これらの謎の答えを私たちは辛抱強く待つ必要があるでしょう。

著者: ママは人気の科学クリエイターを言う

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所准研究員

この記事は科学普及中国創造育成計画によって制作されました。転載の際は出典を明記してください。