許可を得て転載 Quanta Magazine の Abstractions ブログ。
宇宙で知られているすべての粒子の中で、光子だけがニュートリノの数を上回っています。しかし、ニュートリノは豊富にあるにもかかわらず、物質との相互作用が非常に弱いため、捕まえて検査するのは困難です。毎秒約 1,000 兆個の幽霊のような粒子があなたの体を通過します — たった 1 つの原子でさえ、ひるむことはありません.
シカゴ近くのフェルミ国立加速器研究所とトロントのヨーク大学の物理学者であるデボラ・ハリスは、次のように述べています。
物理学者は長い間、幽霊の重さを測ろうとしてきました。そして 9 月には、18 年間の計画、構築、調整を経て、ドイツ南西部で行われたカールスルーエ トリチウム ニュートリノ (KATRIN) 実験が最初の結果を発表しました。電子の質量の約 150 万分の 1 です。
わずか 1 か月分のデータから得られたこの最初の見積もりは、ニュートリノ質量の上限を 2 eV に設定した同様の手法を使用した以前の測定よりも改善されています。データが蓄積されるにつれて、KATRIN は上限を与えるのではなく、実際の質量を明確にすることを目指しています。
質量は、素粒子の最も基本的で重要な特性の 1 つです。ニュートリノは質量が謎のままである既知の唯一の粒子です。その質量を測定することは、宇宙の既知の粒子と力がどのように相互作用するかについて、非常に成功したが不完全な説明である標準モデルを超えた新しい物理法則を示すのに役立ちます。その測定された質量は、宇宙がどのように進化したかについての宇宙学者の理論のチェックとしても役立ちます.
カーネギー メロン大学の物理学者で KATRIN チームのメンバーである Diana Parno 氏は、次のように述べています。
約 20 年前まで、1930 年に理論的に予測され、1956 年に発見されたニュートリノは、質量がないと推定されていました。 「私が大学院にいたとき、教科書にはニュートリノには質量がないと書かれていました」とハリスは言いました。
2015 年のノーベル賞を受賞することになる発見で、ニュートリノが 3 つの「フレーバー」状態 (電子、ミューオン、タウ) の間で振動しながら、ある種類から別の種類に変化する可能性があることを物理学者が発見したとき、状況は変わりました。これらの振動は、ニュートリノが 3 つの可能な質量状態を持ち、各フレーバーが 3 つの質量状態のそれぞれにある確率が異なる場合にのみ発生します。質量状態は空間を異なる方法で移動するため、ニュートリノがポイント A からポイント B に移動するまでに、この確率の混合は変化し、検出器は異なるフレーバーを測定できます。
3 つの異なる質量状態がある場合、すべてがゼロになることはありません。つまり、ニュートリノには質量があります。最近のニュートリノ振動データ（実際の値ではなく質量状態間の違いを明らかにする）によると、最も軽い質量状態がゼロの場合、最も重い質量状態は少なくとも 0.0495 eV でなければなりません。
それでも、それは他の粒子の質量と比較して非常に軽いため、物理学者はニュートリノがどのようにしてそのような小さな質量になるのか確信が持てません.標準モデルの他の粒子は、ヒッグス場と相互作用することで質量を獲得します。ヒッグス場は、すべての空間を満たし、巨大な粒子を引きずるエネルギー場です。しかし、ニュートリノの場合、「質量は非常に小さいため、それを説明するには追加の理論が必要です」とパルノは言いました。
ニュートリノがどのように質量を獲得するかを解明することは、宇宙に反物質よりも物質が多い理由など、一見関連する他の謎を解決する可能性があります。質量生成メカニズムに関する競合する理論では、3 つの質量状態の異なる値が予測されています。ニュートリノ振動実験は質量状態間の違いを測定しましたが、KATRIN のような実験は 3 つの平均に基づいています。 2 種類の測定値を組み合わせることで、各質量状態の値を明らかにすることができ、ニュートリノ質量の特定の理論が他の理論よりも有利になります。
ニュートリノの質量も宇宙的に重要です。質量が非常に小さいにもかかわらず、ビッグバンの間に非常に多くのニュートリノが誕生したため、それらの集団重力が、宇宙のすべての物質が星や銀河に集まる方法に影響を与えました。ビッグバンから約 1 秒後、ニュートリノは光速に近い速さで飛び回り、他の物質の引力を逃れるほどの速さでした。しかしその後、速度が遅くなり、サンゴ礁の原子、星、銀河を助けることができるようになりました。ニュートリノが減速し始めるポイントは、その質量によって異なります。より重いニュートリノはより早く減速し、宇宙をより塊にするのに役立ったでしょう.
宇宙の塊を測定することで、宇宙学者はニュートリノの質量を推測できます。しかし、この間接的な方法は、宇宙のモデルが正しいという仮定に依存しているため、ニュートリノ質量の直接測定とは異なる答えが得られる場合、これは宇宙論が間違っていることを示している可能性があります.
これまでのところ、間接的な宇宙論的アプローチは、KATRIN などの実験による直接的な質量測定よりも感度が高かった。プランク衛星からの最近の宇宙データは、3 つのニュートリノの質量状態の合計が 0.12 eV を超えることはできないことを示唆しており、8 月には、宇宙観測の別の分析により、最も軽い質量は 0.086 eV 未満でなければならないことがわかりました。これらはすべて KATRIN の上限をはるかに下回っているため、2 つのアプローチの間にまだ矛盾はありません。しかし、KATRIN がより多くのデータを収集するにつれて、矛盾が生じる可能性があります。
待望のカトリン実験では、水素の重同位体であるトリチウムを使ってニュートリノの重さを量ります。トリチウムがベータ崩壊を起こすと、その核は電子と電子風味のニュートリノを放出します。最もエネルギーの高い電子のエネルギーを測定することで、物理学者は電子ニュートリノのエネルギー、つまり質量 (実際には、寄与する 3 つの質量の加重平均) を推測できます。
KATRIN が約 0.2 eV または 0.3 eV の質量を発見した場合、宇宙学者は観測結果を調整するのに苦労するだろうと、ストーニー ブルック大学の宇宙学者であるマリレナ ラバーデは述べています。考えられる説明の1つは、ニュートリノの質量の宇宙論的影響が時間の経過とともに弱まる原因となる新しい現象です。たとえば、ニュートリノはさらに軽い未知の粒子に崩壊する可能性があります。その速度は光速に近いため、物質を凝集させることができなくなります。あるいは、ニュートリノに質量を与えるメカニズムが宇宙の歴史の中で変化したのかもしれません.
一方、ニュートリノの質量が宇宙論的観測で予測されるものに近い場合、KATRIN はそれを測定するのに十分な感度を持ちません。ニュートリノの重さは 0.2 eV までしかありません。ニュートリノがそれよりも軽い場合、物理学者はその質量に迫り、素粒子物理学と宇宙論の問題を解決するために、より感度の高い実験を行う必要があります。機密性の高い可能性のある 3 つのプロジェクト — プロジェクト 8、ホルミウムの電子捕獲、および HOLMES — は、概念実証機器を使用して既にデータを取得しています。
マーカス・ウーは、サンフランシスコのベイエリアを拠点とする科学ジャーナリストです。彼の作品は に掲載されています 有線、 新しい科学者、 ナショナル ジオグラフィック、 スミソニアン、NPR、BBC、その他の出版物。
