1993 年、ニュー メキシコ州のロス アラモス国立研究所の地下深くで、バス サイズの石油タンク内で数回の光の閃光が、まだ結論に達していない推理小説の始まりでした。
液体シンチレータ ニュートリノ検出器 (LSND) は、既知のすべての素粒子の中で最も軽く、とらえどころのないニュートリノによって生成される放射線のバーストを探していました。実験のリーダーの 1 人である Bill Louis 氏は、次のように述べています。
問題は、彼らがあまりにも多く見たことでした。理論家たちは、ニュートリノが飛行する際にタイプ間で振動する可能性があると仮定していました。これは、さまざまな天文学的観測を説明する仮説でした。 LSND は、既知の 3 つのタイプの 1 つであるミュー ニュートリノのビームをオイル タンクに向け、そこに到達した電子ニュートリノの数を数えることによって、このアイデアをテストしようと試みました。しかし、ルイと彼のチームは、ニュートリノ振動の単純な理論が予測したよりもはるかに多くの電子ニュートリノがタンクに到着することを検出しました.
それ以来、数十のニュートリノ実験が構築され、それぞれが前回よりも壮大になりました。山、使用されなくなった鉱山の洞窟、南極の下の氷に、物理学者はこれらの悪名高い滑りやすい粒子に大聖堂を建てました。しかし、これらの実験があらゆる角度からニュートリノを調査したため、粒子がどのように振る舞うかについて相反する図が得られ続けました。 「陰謀はますます濃くなっていきます」とルイは言いました。
「非常にややこしい話です。ハーバード大学のニュートリノ物理学者であるカルロス・アルゲレス・デルガド氏は、次のように述べています。そのタイトルのホルヘ・ルイス・ボルヘスの1941年の短編小説では、時間は無限の可能性のある未来に分岐します。ニュートリノでは、矛盾する結果が理論家たちをさまざまな方向へと向かわせ、どのデータを信頼すべきか、またどのデータが彼らを迷わせているかを確信できませんでした。 「他の推理小説と同様に、手がかりを見つけたときに間違った方向に進むことがあります」と Argüelles-Delgado 氏は言います。
LSND異常の最も単純な説明は、新しい規則に従ってすべてのニュートリノタイプを混同する、無菌ニュートリノと呼ばれる新しい第4の種類のニュートリノの存在でした。無菌ニュートリノは、ミューニュートリノがオイルタンクまでの近距離でより容易に電子ニュートリノに振動することを可能にします。
しかし、時間が経つにつれて、無菌ニュートリノは他の実験の結果と一致しなくなりました。 「私たちはチャンピオン理論を持っていましたが、問題は他の場所では惨めに失敗することでした」と Argüelles-Delgado 氏は言います。 「私たちは森の奥深くにいたので、外に出る必要がありました。」
物理学者は自分たちの歩みをたどることを余儀なくされ、ヒントと半分の結果の混乱の背後にあるものを再考しています。近年、彼らは無菌ニュートリノよりも複雑な新しい理論を考案しましたが、それが正しければ物理学に革命をもたらし、ニュートリノ振動データの異常と物理学の他の主要な謎を同時に解決します。少なくとも、新しいモデルは、通常の物質よりも 4 倍豊富にあると思われる銀河を包み込む目に見えない物質である暗黒物質の説明となる可能性がある重い追加のニュートリノを仮定しています。
さて、シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所での MicroBooNE 実験によって昨日発表された 4 つの分析と、南極の IceCube 検出器からの別の最近の研究はどちらも、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があることを示唆していますが、未来はまだ遠いままです。クリアから。
アルゲレス・デルガドは、「何かが動いているような気がします。 「発見に向かう非常に緊張した環境です。」
絶望的な救済策
1930年にヴォルフガング・パウリが、放射性崩壊の際にエネルギーがどこに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たとき、彼はそれを「必死の救済策」と呼んだ。彼の理論的構築物には質量も電荷もなかったので、実験でそれを検出できるかどうか疑問に思っていました。 「それは理論家が決してすべきことではありません」と彼は当時の日記に書いていました。しかし 1956 年、LSND と同じような実験でニュートリノが発見されました。
物理学者が粒子の自然な発生源である太陽から来るニュートリノを検出し、星の核反応の理論モデルで予測された数の半分未満であることを物理学者が検出したとき、Triumph 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は明らかでした。太陽ニュートリノが不可解に消滅したように見えるだけでなく、宇宙線が上層大気と衝突したときに地球に落下したニュートリノも同様に消失しました。
イタリアの物理学者ブルーノ・ポンテコルボによって以前に提案された1つの解決策は、ニュートリノが形を変えるものであるというものでした。多くの素粒子と同様に、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 種類があります。そのため、ポンテコルボ氏は、ニュートリノが消滅するのではなく、移動中にこれらの種の間で変化する可能性があると示唆しました。たとえば、太陽によって大量に生成された電子ニュートリノの一部は、ミューニュートリノに変化して消滅する可能性があります。やがて理論家たちは、太陽と空から得られるデータと一致するエネルギーと移動距離に応じて、ニュートリノがどのようにタイプ間で振動するかについての説明にたどり着きました。
しかし、ニュートリノの形状が変化するという考えは、多くの物理学者にとって受け入れがたいものでした。この数学は、3 つのニュートリノ種のそれぞれが 3 つの異なる質量の量子力学的混合物である場合にのみ機能します。つまり、形状変化とは、ニュートリノに質量がなければならないことを意味します。しかし、既知の素粒子と力を記述する十分にテスト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、ニュートリノに質量がないと明確に見なしています。
太陽と大気は複雑であるため、LSND は専用のニュートリノ源で構築され、形状変化のより決定的な証拠を探します。研究者たちはすぐにそれを見つけました。 「私たちは毎週かそこらで候補者を獲得していました」とルイスは言いました。 1995 年、The New York Times 実験の形を変えるニュートリノについての記事を 1 面に掲載しました。
LSND 実験の批判者は、検出器のエラーの原因と、自然のニュートリノ源からの干渉の可能性を指摘しました。ニュートリノが振動するという考えを支持した科学者たちでさえ、LSND の数値を信じていませんでした。なぜなら、推定された振動率は、太陽ニュートリノと大気ニュートリノによって示唆された速度を上回っていたからです。太陽と大気のデータは、ニュートリノが 3 つの既知のニュートリノ種の間でのみ振動することを示唆していました。 4 番目に、無菌ニュートリノを追加します — 電子、ミューニュートリノ、タウニュートリノを原子との衝突に結びつけ、それらを検出可能にする力を感じてはならないため、その名前が付けられました — LSND のデータによりよく適合します。
1990 年代後半から 2000 年代前半にかけて行われた SNO、Super-K、KamLAND と呼ばれる一連の決定的なニュートリノ振動実験は、3 つのニュートリノ振動モデルを強く支持し、関係する研究者の何人かにノーベル賞をもたらしました。推定される 4 番目の無菌ニュートリノが影に潜んでいました。
異常追跡者
異常はしばしば実験で発生し、その後の調査で消失するため、多くの研究者は最初はそれらを無視します。しかし、マサチューセッツ工科大学の教授であり、「誇り高きアノマリー追跡者」であるジャネット・コンラッドは、そのような特殊性をうまく利用しています。 「私たちは厄介な人間です。混乱は気にしません。実際、私たちはそれを楽しんでいます」と彼女は最近 Zoom で言いました。
コンラッドが 1993 年に博士号を取得しようとしていたとき、ほとんどの素粒子物理学者はコライダーに取り組み、破片の中で新しい粒子を呼び起こすことを期待して粒子を打ち合わせていました。超対称性など、標準モデルのすべての粒子の鏡像粒子の完全なセットを予測する、美しく包括的な理論が流行していました。ニュートリノ振動の機微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にしました。 「私は自然が私に話しかけてくれることを望んでいます。自然に何をすべきかを教えたくないのです」と彼女は言いました。
90年代後半、コンラッドと彼女の異常志向の同僚は、LSND検出器に降りて、1,000個以上の琥珀色のセンサーを慎重に引き出し、厚い油を拭き取り、新しいニュートリノ検出器に取り付けました。彼らが MiniBooNE と呼んだ Fermilab にあるストーリーの高い球体。 「足場に横になって上を見上げることができるヨガマットがありました」と彼女は言いました。 「それは小さな琥珀色の月の宇宙のようでした。ああ、とてもきれいでした。」
この強化されたバージョンの LSND は、2002 年から 2019 年までのデータを収集しました。5 年が経過した後、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。結局存在するかもしれません。
しかし、MiniBooNE の進行中に別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移動距離とエネルギーを調査し、これが形状変化にどのように影響するかを確認しました。彼らの結果は、LSND だけでなく MiniBooNE にも矛盾する 3 つのニュートリノ モデルを確認したようです。
無菌ニュートリノの死
アノマリー追跡者が道の分岐点に来ており、標識は反対方向を指していました。 4 つよりも 3 つのニュートリノの存在を支持する証拠が多かった。その後、無菌ニュートリノに対する別の打撃が、プランク宇宙望遠鏡からもたらされました。
2013 年、プランクは、宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる当時のかすかな放射を検出することによって、ビッグバンの直後に現れた宇宙の信じられないほど詳細な写真を撮りました。この原始的な光のプランクの写真により、宇宙論者は初期宇宙の理論を徹底的に詳細にテストすることができました.
初期の宇宙では、ニュートリノは非常にエネルギーが高く、宇宙の膨張速度に強く影響していたでしょう。プランクの宇宙マイクロ波背景放射データから膨張率を推定することにより、研究者は、若い宇宙を満たしているニュートリノの種類を推定することができました。データは、3 つのタイプがあることを示しました。 CERN の理論物理学者である Joachim Kopp は、この宇宙論的観測は「第 4 のニュートリノ種の存在をかなり確実に除外しました」と述べました。
2018 年までに、誰もがゲームが完成したことに同意しました。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って無菌ニュートリノの死を発表しました。 「彼は言った:『終わったことを知らなかったのなら、今終わったことを知るべきだ』」と、アルゲレス・デルガドは回想する。
Maltoni のプレゼンテーションは、新しいアイデアが必要であるというニュートリノ理論家への警鐘でした。 「前に進む道は途絶えた」と、ボルヘスの比喩に戻ってアルグエレス・デルガドは語った。 「では、どのように操縦すればよいでしょうか?」
彼と彼の同僚は、無菌ニュートリノのアイデアが確立された仮定を再検討し始めました。 「物理学では常にこのオッカムのカミソリのアプローチがありますよね?私たちは、この振動動作以外には何もしない単一の新しい粒子であるという最も単純な仮定から始めました」と彼は言いました. 「それはおそらくばかげた仮定でした。」
ダークセクター
過去 3 年間、ニュートリノ物理学者は、独自の秘密の力を介して相互に作用する可能性のある複数の追加ニュートリノの可能性をますます検討してきました。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、その他の標準モデルの粒子に似た (ただし独立した) 複雑な相互関係を持っていると考えられます。カナダの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であるマテウス ホスタート氏は、「このダーク セクターが豊富で複雑である可能性は十分にあります」と述べています。
秘密の力をモデルに追加することで、初期宇宙で生成されたであろうニュートリノの数を抑えることで、プランク望遠鏡によって提示されたハードルを回避できます。そして、非常に多くの特徴を持つダークセクターは、私たちの理解の多くの穴を一度に塞ぐ可能性があります. 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、ニュートリノが銀河を飲み込むと思われる膨大な量の暗黒物質を説明できるかどうか疑問に思ってきました。彼らはすぐに、既知の 3 つのニュートリノには、そのために必要な質量に近いところはないと結論付けました。しかし、より大きなニュートリノのファミリーが存在する場合 (いくつかの重いニュートリノを含む)、存在する可能性があります。
目に見えないが実り多いダーク セクターという考えは新しいものではありませんが、これらのモデルの数は爆発的に増加しています。この研究は、暗黒物質とニュートリノ異常の異なる問題を 1 つの傘の下にもたらします。 Argüelles-Delgado 氏は、「収束が見られました」と述べています。
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 (ハッブル張力として知られる現象) と、暗黒物質の場合に銀河が本来あるべきほどクラスター化していないように見える理由の解決策を提供する可能性があります。単一の不活性粒子です。プリンストン大学の天体物理学者である Christina Kreisch は、次のように述べています。
モデルは古いアイデアに共鳴します。たとえば、非常に重いニュートリノの存在は、既知の 3 つのニュートリノの不可解なほど小さい質量を説明するために、数十年前に最初に仮説が立てられました。 （「シーソーメカニズム」では、既知の軽量ニュートリノと重いニュートリノの質量が逆の関係にある可能性があります。）また、ビッグバン直後の重いニュートリノの崩壊が、物質がこれほど多く存在する理由として考えられると示唆されています。宇宙の反物質よりも「私を含め、多くの人がそのようなつながりを探ろうと取り組んでいます」とコップは言いました。
今年の初めに、Argüelles-Delgado、Conrad、および数人の共同研究者がダーク セクター モデルを提案し、まもなく Physical Review D に掲載されます。 、異なる質量の 3 つの重いニュートリノが含まれています。彼らのモデルは、LSND と MiniBooNE のデータを、減衰する重いニュートリノと振動する軽いニュートリノの両方の組み合わせによって説明します。また、ニュートリノ質量の起源、シーソー機構による宇宙の物質と反物質の非対称性、および暗黒物質を説明する余地も残されています。
異常追跡者は、MiniBooNE 実験の欠陥を熟考して新しいモデルを考案しました。つまり、電子ニュートリノによって生成された信号と、特定の粒子崩壊によって生成された信号を区別できません。これにより、タイプ間で振動する軽量ニュートリノに加えて、検出器内で重いニュートリノが崩壊している可能性があり、その豊富な信号の原因となっている可能性が開かれました。
真新しい実験結果は、その物語にぴったりです。欠陥を修正するために再構成された MiniBooNE のフォローアップである Fermilab の MicroBooNE 実験は、間もなく Physical Review Letters で報告されます。 無菌ニュートリノだけでは、MiniBooNE の異常を説明することはできません。しかし、この結果は、MiniBooNE のイベントの半分だけがニュートリノ振動によるものであるという可能性と一致しています。 MicroBooNE は最近 、おなじみの標準モデル粒子の崩壊が残りのイベントをほぼ確実に説明できないと報告しました。ダーク セクターからの重粒子が MiniBooNE 内で崩壊する可能性は、来年の MicroBooNE の次のリリースで決定されます。
物理学者はまた、古い道筋をたどり直し、ダーク セクター モデルを既存のデータと照合しています。たとえば、南極の下の氷の深さ数キロメートルに埋め込まれた 5,000 個の検出器のアレイである IceCube 実験の背後にあるチームは、2016 年以来、無菌の兆候はなかったという一連の主張を前回よりも自信を持って発表しています。氷の中をニュートリノが通過。しかし、今月初めに投稿された分析では、無菌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場合、IceCube データは実際にそれらの存在を支持することがわかりました。チームの完全な分析はまだ公開されておらず、研究者は、確実に言う前にこの評価の必要性を強調しています.
最後に、すべてのニュートリノ振動実験を一緒に考慮した分析も、崩壊する無菌ニュートリノのサポートを見つけます。
目に見えない粒子の塊が存在するという大胆な主張には、大胆な証拠が必要であり、誰もが納得しているわけではありません。ニュートリノ質量のシーソー モデルの作成者の 1 人であるルートヴィヒ マクシミリアン大学ミュンヘン校の Goran Senjanović 氏は、次のように述べています。 Senjanović は、実験的な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、非常に成功した標準モデルを超える最小のステップのみを実行する必要があると述べました.
しかし、ガーデン オブ フォーキング パスでは、ミニマリズムとシンプルさの前提が間違っていることがよくあります。標準モデルは、電子、ミューニュートリノ、タウニュートリノは質量がゼロであると予測していますが、そうではないことを除けば.理論家たちはかつて、これらのニュートリノに質量があるとすれば、暗黒物質を説明するのに十分な質量を持っているに違いないと考えていました。おそらく、標準モデルのはるかに精巧な拡張が必要です。コンラッドのような物理学者は、手がかりを求めて異常を追跡する利点を強調しています。
迷路の外
現在の課題は、仮想のダーク セクターにアクセスする方法です。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アドバイスしました。幸いなことに、物理学者は、よく知られている 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ません。 「ニュートリノ自体は本質的に暗い粒子です」と、ニューヨーク大学の素粒子物理学者であるニール・ウェイナーは述べています。 「標準モデルの他の粒子にはできない、他の暗い粒子と相互作用して混合する能力があります。」
今後のニュートリノ実験は、ダーク セクターへの入り口を開く可能性があります。 MicroBooNE に続いて、Fermilab の SBND と ICARUS 実験はすぐにスイッチを入れ、複数の距離とエネルギーでニュートリノ振動を調べ、振動の完全なパターンを明らかにします。一方、フェルミ研究所での DUNE 実験は、より重いダーク セクター粒子に敏感です。コンラッド氏によると、ニュートリノがリチウム 8 などの放射性物質から放出される「静止崩壊」実験を注意深く観察することで、現在の結果の寄せ集めに対する別の見解が得られるでしょう。
IceCube も珍しい視点を提供します。この実験では、宇宙線が地球の大気に衝突したときに生成される非常にエネルギーの高い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 内の粒子に対して散乱し、MiniBooNE 内で崩壊すると疑わ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。 IceCube がこの散乱に続いて重いニュートリノの崩壊を少し離れた場所で見た場合、この「ダブル バン」の特徴は「新しい粒子の非常に強力な証拠となるでしょう」と Hostert 氏は述べています。
これらの可能性により、ダーク セクターは「就寝前の話だけではありません」と Weiner 氏は述べています。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仲介者として機能したとしても、それらのリンクが隠されているものを明らかにするほど強力であるという保証はありません。ミシガン大学の Josh Spitz 氏は、「重い [ニュートリノ] は、合理的な実験では完全にアクセスできない可能性があります」と述べています。
また、LSND に始まり、発生したニュートリノ異常のそれぞれが、それ自身のありふれた説明を持つ可能性があるということも、もっともらしいままです。コンラッド氏は、「おそらくそれらはすべて間違っており、それらすべてが互いに何らかの関係があるように見えるのは信じられないほど不運です. 「それは自然が非常に残酷だということです。」
Argüelles-Delgado 氏は、最終的に迷路から抜け出すことについて楽観的です。 「科学は段階的に進んでいきますが、突然何かが爆発します」と彼は言いました。 「手がかりを集めて調べています。一部の情報は、他の情報よりも信頼性が高くなります。自分で判断する必要があります。」
