Quanta Magazine の Abstractions ブログから許可を得て転載。
物理学者たちは、シカゴ近くのフェルミ国立加速器研究所でのニュートリノ実験からの新しい報告に興奮し、困惑しています。 MiniBooNE 実験では、予想よりもはるかに多くの特定のタイプのニュートリノが検出されました。この発見は、新しい素粒子の存在によって最も簡単に説明されます。「無菌」ニュートリノは、既知の 3 つのタイプのニュートリノよりもさらに奇妙で隠遁しています。この結果は、MiniBooNE が二重チェックのために特別に作成された数十年前の実験の異常な結果を確認しているようです。
カーネギー メロン大学の物理学者 Scott Dodelson 氏は、ニュートリノ異常の持続性は非常に興味深いと述べています。それは「何かが実際に起こっていることを示しているだろう」と、ブルックヘブン国立研究所の Anže Slosar は付け加えた.
何については、誰も言えません。
マサチューセッツ工科大学のニュートリノ物理学者であり、MiniBooNE 共同研究のメンバーであるジャネット コンラッドは、「この結果に非常に興奮していますが、まだ『ユーレカ!』とは言えません。」と述べています。
無菌ニュートリノの存在は、最小スケールから最大スケールまで物理学に革命をもたらすでしょう。それはついに、1970 年代から君臨してきた素粒子物理学の標準モデルを破ることになるでしょう。それはまた、「宇宙論の新しい標準モデル」を要求するだろう、と Dodelson は言った。 「標準的な状況には他にも潜在的な亀裂がある」と彼は付け加えた。 「ニュートリノのパラドックスは、新しい、より優れたモデルへの道を示す可能性があります。」
ニュートリノは小さな粒子で、毎秒数十億単位で私たちの体を通過しますが、相互作用することはめったにありません。それらは、電子、ミューオン、およびタウと呼ばれる 3 つの既知のタイプまたは「フレーバー」の間で常に振動しています。 MiniBooNE 実験では、ミュー ニュートリノのビームを巨大な石油タンクに向けて発射します。タンクに向かう途中で、これらのミュー型ニュートリノの一部は、2 つの質量の差によって決定される速度で電子型ニュートリノに変換されるはずです。次に、MiniBooNE は電子ニュートリノの到着を監視します。電子ニュートリノは、石油分子と相互作用するまれな機会に、特徴的な放射線の閃光を生成します。 15 年間の実行で、MiniBooNE は予想よりも数百個多い電子ニュートリノを登録しました。
驚くほど高い数の最も簡単な説明は、一部のミューニュートリノが振動して、別のより重い第 4 の種類のニュートリノ (無菌ニュートリノ、つまりニュートリノ以外のものとは決して相互作用しないことを意味します) に変化しているということです。ニュートリノは電子ニュートリノに振動します。質量差が大きいほど、振動率が高くなり、検出回数が多くなります。
ロス アラモスの液体シンチレーター ニュートリノ検出器 (LSND) は、1990 年代に同様の異常を検出し、MiniBooNE の構築を促しました。しかし、LSND や MiniBooNE とは異なる働きをする他のニュートリノ実験では、無菌ニュートリノと推定される明確な兆候を生み出すことができませんでした。ドイツのハイデルベルクにあるマックス プランク核物理学研究所の Werner Rodejohann は、次のように述べています。
無菌ニュートリノが新しい結果を説明する場合、物理学者は、これらの新しい粒子の特性が、私たちが知っている他のすべてのものとどのように互換性があるかを確認するのに苦労しています.おそらく最も厄介なのは、初期宇宙からの光の宇宙論的観測が、当時存在していたニュートリノのフレーバーが 3 つしかなかったことを示していることです。 LSND、MiniBooNE、およびこれまでの他のすべての実験を理解するには、「まったく新しい理論的枠組みが必要です」と Slosar 氏は述べています。
さらに、MiniBooNE のデータに仮説的に適合する可能性のある特定の無菌ニュートリノは、そもそも物理学者がそのような粒子について理論化するように導いた謎のいずれも解決していません。無菌ニュートリノが十分に重ければ、銀河を飲み込むように見える目に見えない「暗黒物質」として機能する可能性があります。そして、シーソーメカニズムと呼ばれる数学的トリックを介して、電子、ミューオン、およびタウニュートリノが非常に軽量である理由を説明します。しかし、1 電子ボルト未満では、推定上の MiniBooNE 無菌ニュートリノは、これらの他の目的に重きを置いていません。ラトガース大学の素粒子物理学者マシュー・バックリーは、「1 eV の無菌ニュートリノを期待する理由はありません。 「だからといって、宇宙が過去に新しい粒子を追加するのを止めたわけではありません。」
この混乱により、多くの専門家は楽観主義を抑え、MiniBooNE と LSND の両方が何らかの未知のエラーの餌食になっているのではないかと疑うようになりました。ブリュッセル自由大学の物理学者である Freya Blekman は、この実験では、MiniBooNE の石油タンク内で中性パイ中間子と呼ばれる粒子が崩壊する速度 (電子ニュートリノからの信号を模倣する事象) を体系的に過小評価していた可能性があると主張しています。
ニューヨーク大学の理論物理学者である Neal Weiner 氏は、次のように述べています。 「そうは言っても、これは標準モデルを超えて最初に発見された粒子であるため、証拠のしきい値は明らかに非常に高いです。」今のところ、彼は「少し様子見のアプローチをとっています」と述べています。
より決定的な答えは、コンラッドと彼女の同僚の多くによって提案された IsoDAR と呼ばれるものを含む、将来の実験で得られるでしょう。ビームの端にある特定のフレーバーのニュートリノの数を数えるのではなく、ニュートリノが移動するときに異なるフレーバーの間を行ったり来たりする様子を捉えることで、振動の全体像が得られます。コンラッド氏は、「余剰は一種のブロブであるため、まだお金を賭ける準備ができていません」とプロットに語った. 「他の何かがブロブを作ることができるとしたら?確信を持ってもらうために、この予測された小刻みの揺れを非常に重要な意味で見たいと思います。」
Natalie Wolchover は のシニア ライターです。 物理科学をカバーする Quanta マガジン。以前は、Popular Science、LiveScience、その他の出版物に執筆していました。彼女はタフツ大学で物理学の学士号を取得し、カリフォルニア大学バークレー校で大学院レベルの物理学を学び、非線形光学に関するいくつかの学術論文を共同執筆しました。彼女の著作は、The Best Writing on Mathematics 2015 で取り上げられました。彼女は、2016 年の優秀統計報告賞と、2016 年の若手科学ジャーナリストに贈られるエバート クラーク/セス ペイン賞を受賞しています。 @NattyOver
