銀色の真空チャンバーはツェッペリンに似ており、ステンレス鋼パネル間の溶接の漠然としたアールデコのラインは、未来的でありながら古風にも見えます. Hindenburg の 10 分の 1 のサイズ —しかし、それでもシロナガスクジラと同じくらい大きい—この船は、ここカールスルーエ工科大学 (KIT) の格納庫のような建物に迫り、浮かび上がる準備ができているようです。それは地球に縛られていますが、チャンバーには、最もとらえどころのない謎の亜原子粒子であるニュートリノの重量を量るという、エーテルのような目的があります。
物理学者は 2001 年にカールスルーエ トリチウム ニュートリノ (KATRIN) 実験を思いつきました。現在、6,000 万ユーロのプロジェクトの断片がようやくまとまりつつあり、KATRIN の研究者は来年初めにデータの取得を開始する予定です。 KIT の物理学者であり、プロジェクトに取り組んでいる約 140 人の研究者の共同スポークスパーソンである Guido Drexlin は、「これは本当に最後のカウントダウンです」と述べています。
物理学者がニュートリノの重さを知らないというのは、ばかげているように思えるかもしれません。 1 立方センチメートルの空間には、平均して約 350 個の原始ニュートリノがビッグバンから残っており、太陽は毎秒何兆個もの高エネルギー ニュートリノを私たち一人一人に送り込んでいます。しかし、粒子は物質との相互作用が非常に弱いため、誰も気づきません。それらのほんの一部を見つけるには、何トンもの重さの検出器が必要です。ニュートリノの重さを量る簡単な方法はありません。
代わりに、過去 70 年間、物理学者はニュートリノの質量を推測するために、粒子が発生する特定の核崩壊 (トリチウムのベータ崩壊) を研究してきました。何度も何度も、これらの実験はニュートリノの質量の上限しか設定していません。カトリンは、少なくとも革新的な新技術がなければ、それを測定する物理学者の最後の、最良の希望かもしれません. 「これで道は終わりです」と、物理学者でシアトルのワシントン大学 (UW) の KATRIN メンバーである Peter Doe は言います。
カトリンの物理学者は、成功するという保証はありません。宇宙からニュートリノを検出する巨大な地下検出器など、非常にさまざまな種類の実験から、彼らはニュートリノが無質量であるはずがないことを知っています。しかし近年、さらに遠くからのデータ (最も壮大な縮尺での宇宙の地図) は、ニュートリノが軽すぎて KATRIN が把握できない可能性があることを示唆しています。それでも、宇宙論者でさえ、この実験はやる価値があると言っています。ニュートリノ質量が KATRIN を逃れた場合、彼らの宇宙に関する現在の理解は別のテストに合格したことになります。
KATRIN が何かを見つけたら、宇宙論者は頭をかきむしって「どこが間違ったの?」と言うでしょう。
- リシア ベルデ、バルセロナ大学
一方、決定的な測定は、革新的な可能性を秘めています。 「KATRIN が何かを見つけたら」と、スペインのバルセロナ大学の宇宙学者である Licia Verde は言います。
ニュートリノは、最初に不在によってその存在を裏切りました。 1914 年、英国の物理学者 James Chadwick は、原子核が電子を放出して中性子を陽子に変換する放射性崩壊の一種であるベータ崩壊を研究していました。エネルギー保存は、特定の原子核、たとえば鉛 214 からの電子が常に同じエネルギーで出現することを示唆していました。代わりに、チャドウィックは、あたかもエネルギーが消滅しているかのように、エネルギーの範囲がゼロまで広がって出現することを示しました.
その観測は、物理学に小さな危機を引き起こしました。デンマークの偉大な理論家ニールス・ボーアは、エネルギーは原子スケールでは保存されないかもしれないとさえ示唆しました。しかし、1930 年に、気難しいオーストリアの理論家ヴォルフガング パウリは、この問題をより簡単に解決しました。ベータ崩壊では、目に見えない 2 番目の粒子が電子と共に出現し、エネルギーのランダムな割合で逃亡する、と彼は推測しました。粒子は軽く、陽子の質量の 1% 未満である必要があり、検出を避けるために非荷電である必要がありました。
3 年後、イタリアの物理学者エンリコ フェルミは、この仮想粒子をニュートリノと名付けました。それはさらに23年間検出を逃れるでしょう.しかし、ベータ崩壊の完全な理論を開発する中で、フェルミはすぐに、電子のエネルギー スペクトルがニュートリノの重要な特性、つまりその質量の手がかりを保持していることに気付きました。粒子が質量ゼロの場合、スペクトルは、電子が単独で出現した場合と同じエネルギーまで拡張する必要があります。これは、ニュートリノが実質的にエネルギーなしで出現する崩壊に対応します。ニュートリノに質量がある場合、スペクトルは質量に等しい量だけ限界を下回るはずです。ニュートリノを計量するために、物理学者はベータ崩壊の電子スペクトルの上限を正確にマッピングするだけで済みました。
ただし、その測定には絶妙な精度が必要です。何十年もの間、物理学者は、ベータ崩壊を受ける最も単純な原子核であるトリチウムでそれを達成しようと努力してきました。 1949 年の最初の研究では、ニュートリノの重さは電子の質量の 1/1000 である 500 電子ボルト (eV) 未満であると結論付けられました。それ以来、一連の実験により、およそ 8 年ごとに上限が半分に減っていると、UW のカトリン物理学者である Hamish Robertson は述べています。 「ニュートリノの質量には一種のムーアの法則があります」と彼は言い、マイクロチップ上のトランジスタの定期的な縮小を長年にわたって説明してきた傾向に言及しています。ドイツのマインツとロシアのトロイツクの実験者が 1999 年に独立して報告したように、現在の上限は約 2 eV (最も軽い原子の質量の 20 億分の 1) です。
2001 年、ドイツのシュヴァルツヴァルトにあるバート リーベンツェルの集落にある丘の上にある城にこれらのチームと他のチームが集まり、最終的なトリチウム ベータ崩壊実験を開始することで、さらに前進することを決定しました。 「それが原点であり、KATRIN のビッグバンでした」と KIT の Drexlin は言います。 KATRIN の実験者は、質量限界を 10 分の 1 の 0.2 eV まで下げたいと考えています。あるいは、さらに良いことに、ニュートリノ質量の実際の測定に到達したいと考えています。
実験を行うために、科学者はトリチウムの供給を必要とします。トリチウムは、特定の原子炉で生成される水素の高放射性同位体であり、健康被害の可能性と兵器への応用のために厳しく規制されています。それを探し求めた結果、トリチウムの処理とリサイクルのための、西半球ではユニークな施設をすでに持っていた KIT にたどり着きました。
トリチウムを手にした物理学者は、エネルギーを変えることなく放出するベータ電子を収集しなければなりません。たとえば、トリチウムガスを薄い結晶窓のある容器に入れることはできません。最も薄い窓を通過すると、電子のエネルギーが十分に吸収され、KATRIN の測定が台無しになるからです。
代わりに、KATRIN は窓のないガス状トリチウム源と呼ばれる装置に依存しています:トリチウムが中央のポートから入る長さ 10 メートルの開放型パイプです。パイプを取り囲む超伝導磁石は、地球の 70,000 倍の強さの磁場を生成します。磁場内のトリチウム スパイラルからパイプの末端までベータ崩壊電子が発生し、そこでポンプが荷電していないトリチウム分子を吸い出します。ガス自体が電子を減速させるほどのトリチウムを使用せずに正しく設定し、ソースは毎秒 1,000 億個の電子を生成する必要があります。
最後に、物理学者は電子のエネルギーを測定しなければなりません。そこでカトリンの飛行船のような真空チャンバーの出番です。ソースからの磁力線に乗ったまま、電子は一方の端からチャンバーに入ります。現在、飛行船を取り囲む優美な輪状のワイヤーによって供給されている磁場は、磁力線が広がるにつれて地球の磁場のわずか 6 倍にまで弱まります。電子が線の周りではなく、線に沿って移動するように強制するため、その広がりが重要です。
電子が正確に同じ方向に移動すると、物理学者はそれらのエネルギーを測定できます。チャンバーを覆う電極は、突入する電子を押してその動きに対抗する電界を作り出します。十分なエネルギーを持つ電子だけが電場を押しのけ、チャンバーの遠端にある検出器に到達できます。したがって、電場の強さを変化させ、検出器に衝突する電子を数えることによって、物理学者はスペクトルを追跡することができます。 KATRIN の研究者は、崩壊からの 5 兆個の電子のうちの 1 個だけによってマッピングされる非常に重要な領域である、スペクトルの上限に集中します。
すべてを完璧に調整する必要があります。分光計の周りに追加のワイヤ コイルを配置して、地球の磁場を正確にキャンセルする必要があります。そうしないと、電子がツェッペリンの壁にぶつかってしまいます。無数の電極の特定の電圧は、100 万分の 1 まで安定していなければなりません。分光計内の真空は 0.01 ピコバールに保たれなければならず、これは月の表面と同じくらい低く、このような大きなチャンバーでは前例のないレベルです。また、トリチウム源の温度は、分子の動きが放出された電子のエネルギーに影響を与えないように、分子の動きを遅くするために極寒の 30 ケルビンに保つ必要があります。
カトリンの物理学者は、いくつかの厄介な驚きに遭遇しました。例えば、漂遊磁場を避けるために、彼らは200トンのチャンバーの下のコンクリートの床を、磁性を持つ普通の鉄筋ではなく、非磁性のステンレス鋼で補強しました。それでも、コンクリートの壁の普通の鋼からの磁場が分光計に大混乱をもたらしたと、KIT の物理学者 Kathrin Valerius は言う。 「私たちは建物を消磁しなければなりませんでした」と彼女は言います。これは、壁の 1 平方メートルごとに電磁石を通す必要のある骨の折れる作業でした。
ねじれの解決には予想よりも時間がかかり、実験は当初の計画から約 7 年遅れました。 KIT の物理学および数学部門の責任者である Johannes Blümer 氏は、1 つの問題によって速度が低下したことはないと述べています。 「事態は当初考えていたよりもはるかに複雑であることが判明しました」と彼は言います。 「すべてが完璧で、完全に安定している必要があります。」
待ち時間はほとんど終わりました。昨年 10 月、物理学者は分光計を通して電子銃から電子を放出しました。この夏、一定エネルギーの電子を放出するクリプトン 83 のサンプルを使ってそれを調整する予定です。今年後半に、彼らはトリチウム工場を接続し、来年のデータ取得に備えます。 1 週間で、KATRIN はこれまでのすべての実験を上回るはずですが、研究者は最終的な測定を行うために少なくとも 5 年間はデータを取得する必要があるとドレクスリンは言います。
ドイツのカールスルーエ トリチウム ニュートリノ (KATRIN) 実験は、ニュートリノの質量を測定するための 70 年にわたる探求の集大成ですが、実験の構築には独自の冒険が含まれていました。実験の心臓部である、長さ 23 メートル、幅約 10 メートルのステンレス製真空チャンバーは、カールスルーエ工科大学 (KIT) の KATRIN サイトから車でわずか 400 キロメートルの場所にあるデッゲンドルフの会社によって製造されました。しかし、そのような大きな負荷に対応できる直接道路がないため、科学者は赤ちゃんをまっすぐ家に連れて帰ることができませんでした.
代わりに、2006 年 9 月に 200 トンの装置は、はるかに長い旅を開始し、最初はドナウ川を下って黒海に向かいました。そこから船で運ばれ、エーゲ海と地中海を通り、ヨーロッパの大西洋岸を上ってライン川を上った。最後に、2 か月後、KIT の北 7 km の村、レオポルトスハーフェンに上陸し、特別なトラックが町の中心部をわずか 5 cm の余裕を持って一瞬のうちに通り抜けました。 KIT の物理学者である Thomas Thuemmler によると、8,800 キロメートルの旅には 60 万ユーロの費用がかかり、「最後の 7 キロメートルはそれまでのすべての段階と同じくらいの費用がかかりました」。 スライドショーをスキップ カールスルーエ工科大学 カールスルーエ工科大学 カールスルーエ工科大学 カールスルーエ工科大学 カールスルーエ工科大学
物理学者は、ニュートリノにある程度の質量があることをすでに知っています。何十年もの間、彼らは、ニュートリノが生まれたときの粒子相互作用に応じて、電子、ミューオン、タウの 3 つのタイプ、つまり「フレーバー」があることを知っていました。 1998 年、西日本にある巨大な地下ニュートリノ検出器であるスーパーカミオカンデの実験者は、宇宙線が大気中の分子に衝突して生成されたミュー型ニュートリノが、地球を通り抜けて検出器に到達するときにフレーバーを変化させる可能性があることを証明しました。
このようなフレーバーの変化は、ニュートリノが質量ゼロになりえないことを示しています。そうでなければ、相対性理論によれば、光子のように光速で移動する必要があります。その場合、彼らの時間は止まり、変化は不可能になります。しかし、そのようなフレーバーの変化は、正確な値ではなく、3 つのニュートリノの質量の違いに依存します。そのため、物理学者はこの現象を詳細に研究しましたが、ニュートリノのタイプの 1 つが少なくとも 0.05 eV の質量を持っている必要があるとしか言えません。そして、彼らはどのタイプが最も重いか、または最も軽いかを知りません.
カトリンは、宇宙論の結果が示唆するように、答えを提供するのに十分な感度を持っていない可能性があります。ビッグバンは、宇宙構造の進化を形作るニュートリノの海を作り出し、銀河と銀河団の形成を遅らせました。生まれたばかりの宇宙で物質が凝集し始めたときに放出される宇宙マイクロ波背景放射と銀河の分布を研究することにより、宇宙学者は、3 種類のニュートリノすべての質量の合計が 0.2 eV 未満であると推測しました。カトリンの感度の限界。もしそうなら、ベータ崩壊によって放出される種類の電子ニュートリノだけでは、KATRIN にとっては重すぎる可能性があります。
この推定には注意点があります。それは、宇宙には通常の物質、重力のみを介してのみ相互作用する神秘的な「暗黒物質」、および奇妙で空間を引き伸ばす「暗黒エネルギー」が含まれていると仮定する宇宙学者の標準モデルの妥当性に依存します。また、銀河団の形成を遅らせます。ニュートリノの質量を測定することで、カトリンの物理学者はそのモデル、特に暗黒エネルギーに関する仮定をテストすることができます、とカリフォルニア大学アーバイン校の宇宙学者、ケヴォーク・アバザジアンは言います。 「宇宙論で発見されたものと一致しないものを見つけた場合、彼らは宇宙論で何かが壊れていると言っている. 「それは大変なことです。」
ニュートリノが軽すぎてカトリンが測定できない場合は？物理学者は、実験の感度を 0.1 eV まで高めるためのアップグレードを想定しています。さらに、二原子分子を形成する通常のトリチウムガスを原子状トリチウムに置き換える必要があるだろう、とドレクスリンは言う。なぜなら、トリチウムベータが崩壊するときの分子の分裂は、電子のエネルギーに最大の不確実性を生み出すからである.しかし、そのような原子源はまだ存在しておらず、発明するのは大きな課題です.
さらに急進的なアプローチを模索している人もいます。 UW で、Robertson は、ベータ崩壊からの電子のエネルギーを測定する別の方法をテストしています。電子が磁場内を周回するとき、科学者が世界中の加速器光源で使用する X 線シンクロトロン放射などのエネルギーを放射します。 KATRIN では、電子ははるかに低いエネルギーであるため、KATRIN のエネルギー測定を損なうほどではありませんが、電波を放射します。
これらの電波の周波数は電子のエネルギーに対応し、Robertson と彼の同僚はこの信号を利用することを計画しています。彼らがプロジェクト-8と呼んでいるものでは、単一の電子からの放射線を測定できるサムネイルサイズのチャンバーを構築しました。彼らは、数十億個の電子の電波放射を一度に測定できるようにスケールアップしたいと考えています。それには、たくさんの小さな無線アンテナが散りばめられた 200 立方メートルのチャンバーが必要です。
ホルミウム163は粒子加速器で作られた合成放射性同位体で、電子捕獲と呼ばれるベータ崩壊とほぼ反対のプロセスを経る。その中で、核はニュートリノを吐き出している間、原子自身の電子の1つをむさぼり食う。このような捕獲からのすべての熱やその他のエネルギーを集計し、そのスペクトルの終わりにある小さな不足を探すことによって、物理学者はトリチウム実験と同じように、ニュートリノの質量を推測できるはずです.
それが、ドイツのハイデルベルク大学で行われているホルミウムの電子捕獲 (ECHo) 実験の目標であり、ホルミウム原子を小さな金の「熱量計」に埋め込んでいます。 ECHo の物理学者 Loredana Gastaldo は、実験者は数十の検出器の作業配列を作成したと述べています。ニュートリノの質量を測定するのに十分な崩壊を生成するには、「検出器を 100 個から 100,000 個にする必要があります」と彼女は言います。
KATRIN が決定的な測定に至らず、新しいアプローチのいずれも成功しない場合、ニュートリノを直接計量することは到達不可能な目標のままになる可能性があります。物理学者は、天からもたらされる間接的で不確実な質量推定に満足しなければならないかもしれません。恥ずかしがり屋で内気な粒子は、謎の覆いを再び保持します。
