ニュートリノ物理学は珍しい特徴に満ちています。 1938年に貯金を持って行方不明になったエットーレ・マジョラナがいました。彼の記録は発見されていませんが、何年にもわたって彼を目撃したという論争が数多くありました.
続いてブルーノ・ポンテコルボ。英国から核の秘密を漏らした疑いがあり、1950 年にイタリアで休暇中に行方不明になり、5 年後に再び現れて、彼の新しい故郷であるソビエト連邦を称賛しました。
しかし、最も奇妙なのは、ニュートリノそのものです。それは電気的に中性であるため、粒子検出器には見えず、奇妙に軽量で、2 番目に軽い粒子である電子の重量のせいぜい 0.0004% です。宇宙で最も数の多い大質量粒子ですが、非常に滑りやすいため、あたかもそこにないかのように、鉛の光年を通過することができます。そして、形が変わるという問題があります。
ニュートリノには、電子、ミューオン、タウの 3 つのフレーバーがあり、それぞれが関連する荷電粒子にちなんで名付けられています。しかし、フレーバーは純粋なエッセンスではありません。それぞれのフレーバーは、3 つの成分の異なる組み合わせ (または重ね合わせ)、または質量状態で構成されています。
これらの質量状態は、重さの異なる単純なダンベルとしてではなく、長さの異なる波のように振る舞います。波は互いに完全に一列に並んでいないため、異なる点では、1 つの質量状態の高さが他の 2 つの質量状態に対して異なります。つまり、質量状態の組み合わせが電子ニュートリノのレシピに最も似ている場合もあれば、ミューニュートリノのレシピに似ている場合もあります。その結果、ニュートリノは移動中に 3 つのフレーバーの間で振動しているように見えます。
他の基本粒子はこれを行いません。 「あるタイプから別のタイプに変わることができるのはニュートリノだけです」と、イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学のアンドレ・デ・グーヴェアは言います。自然の奇妙さ以上に、その場で変異するこの能力は、物理学におけるいくつかの深い疑問と、潜在的にいくつかの重要な答えを示しています.
ニュートリノの突然変異は、粒子の極小質量がなければ不可能です。既知の 3 つの質量状態はそれぞれ非常に小さく、関連する量子波長が非常に長いため、各状態に対応する波は、宇宙距離にわたってわずかなオフセットのみで、ほぼ同期した状態を維持できます。これにより、ニュートリノは、一時的な多重度の状態で異なるフレーバーの間でちらつきます。
質量が大きく波長が短いと、波の位相が急速にずれて、さまざまなフレーバー間のこのナイフエッジのバランスが崩れ、ニュートリノがいずれかのタイプに強制的に変換されます。 「異なるフレーバーは互いに分離します」と de Gouvêa 氏は言います。 「彼らは非常に二者択一の行動をとるでしょう。」コペンハーゲン大学のニュートリノ研究者であるジェイソン・コスキネンは、ニュートリノがそうでないという事実は、その小さな質量状態のおかげで、量子力学の規則に従って理にかなっていますが、それでも気が遠くなると言います. 「私はまだこの問題に頭を悩ませていません」と彼は認めます。
障害が 1 つだけあります。ニュートリノには質量がまったくないと想定されていました。マサチューセッツ工科大学 (MIT) のジャネット・コンラッドは、次のように述べています。
小さくても質量があるという事実は大きな問題です。標準モデルは、粒子と力がどのように相互作用するかについての物理学者の最良のアイデアです。これは、2012 年に建設が完了し、最後の行方不明の粒子であるヒッグス ボソンが発見されたものです。 「ニュートリノ振動は、標準モデルの外で行うことができる現在確認されている唯一の物理学です」とコスキネンは言います。
ニュートリノの質量が非常に難しい理由は、粒子がその質量を得る方法に関係しています。質量のあるその他の素粒子には、スピンの方向に対応する 2 つのミラー バージョン (1 つは左巻き、もう 1 つは右巻き) があります。各バージョンは自然の異なる力と相互作用することができ、空間全体を満たしている目に見えない量子「エーテル」との相互作用のおかげで、両方の「手」が粒子に質量を与える必要があるようです。ヒッグス粒子。
ヒッグス場は鏡のように作用し、1 つのスピンを持つ粒子を反対側の鏡に変えます。 「アイデアは、時々、左手系の粒子がヒッグス場に衝突し、右手系の粒子に変換されるというものです」と de Gouvêa は言います。 「正味の効果は、質量のある粒子のように見えることです。」
対照的に、ニュートリノは片手の弱い核力としか相互作用しません（技術的には重力ですが、他の力と比較したこの力の強さは無視できます）。実際、左巻きのニュートリノしか観測されていません。標準モデルによれば、ニュートリノに鏡面反射がない場合、質量がないはずです。そのため、ニュートリノが質量を得る方法は、片手の拍手の音を熟考する禅公案の物理学者のバージョンです。 「このテーマに取り組んでいる多くの素粒子物理学者は、それについて混乱しています」と de Gouvêa は言います。
1つの可能性は、ニュートリノには反射がありますが、ニュートリノだけが見ることができるということです.つまり、右巻きのニュートリノは存在しますが、その存在は検出されていません。なぜなら、それらはサウスポーのニュートリノよりもはるかに離れており、質量がないからです。 「その粒子は、いかなる力にも関与していません」と、右手系ニュートリノとされるデ・グーヴェアは言います。 「質量を与える左手系ニュートリノを除いて、文字通り何とも相互作用しません。」
ニュートリノがどのように質量を獲得するかは謎であり、その解決策はニュートリノ物理学自体の境界を超え、宇宙論の最大の問題の 1 つにまで及ぶことが約束されています。なぜ宇宙には反物質よりも多くの物質があるのでしょうか?標準モデルによれば、ビッグバンの後に物質と反物質が同量生成されたはずです。物質と反物質が出会うと、瞬時に完全に消滅します。したがって、ビッグバンは立て続けに大火につながったはずです。私たちが今日ここにいるという事実は、何らかのプロセスが天秤をひっくり返し、より多くの物質を置き去りにしたことを示しています。 「どのようにして平等が不平等に発展したのですか?」と、イリノイ州バタビアにあるフェルミ研究所のニュートリノ理論家であるボリス・カイザーは尋ねます。 「物質と反物質は異なる振る舞いをしなければならない。」多くの物理学者は、ニュートリノがこの不均衡に役割を果たしているのではないかと疑っていますが、ニュートリノが他の粒子と同じように質量を得る可能性は低いです (自分自身の右手バージョンを介して標準的なヒッグス場と相互作用します)。
幸いなことに、謎めいたマヨラナによって約 80 年前に提起された抜け穴があります。 別の右手系ニュートリノを呼び出す代わりに、ニュートリノの反粒子 (反ニュートリノ) は、左手系のニュートリノの質量パートナーとして機能する可能性があります。結局、反ニュートリノは右巻きです。ただし、これが機能するには、ニュートリノがそれ自体の反粒子である必要があります。つまり、2 つのニュートリノが衝突した場合、それらは即座に消滅するということです。
これが起こっているかどうかをテストする 1 つの方法は、2 つの反ニュートリノの兆候を残すはずなのに残さない放射性粒子の崩壊を探すことです。約 10 年前に報告された 1 つの物議を醸す結果を除いて、ニュートリノレス二重ベータ崩壊として知られるこの特徴はまだ見られていません。これは、プロセス (2 つの中性子が崩壊して 2 つの陽子と 2 つの電子を生成する) が存在しないことを意味するものではありません。非常にまれであるため、通常、宇宙の年齢よりもはるかに長い時間スケールで発生すると予想されます。
しかしいつもではない。統計的には、ラボで検出可能な時間スケールで減衰が発生する可能性があります。 「ニュートリノの質量を一方向でしか探せないと言われた場合、ニュートリノのない二重ベータ崩壊がおそらく最優先事項になるでしょう」とド・グーヴェアは言います。イタリアの CUORE やカナダの SNO+ 実験を含むいくつかの新しい探索は、テルルなどの元素の放射性崩壊を精査して、反ニュートリノが存在しないことを明確にすることを目的としています。
ニュートリノがそれ自体の反粒子でない場合、ニュートリノのないベータ崩壊は決して起こりません。代わりに、2 つの中性子は 2 つの陽子、2 つの電子、および 2 つの反ニュートリノを残します。その場合、物質と反物質のレプトン (ニュートリノ、電子、ミュー粒子、タウ粒子) の数の差は、崩壊の前後でゼロになります。ただし、ニュートリノがそれ自体の反粒子である場合、崩壊後に 2 つのレプトン (電子) が残り、反レプトンは残ります。正味の結果は、反物質の対応物を犠牲にして、物質のレプトンの量が増加することです。初期の宇宙で働いていた同様のプロセスは、物質と反物質の間の宇宙の格差を説明するためのチケットを提供するかもしれません.
これは、宇宙の性質に関心のある宇宙論者にとって有望な方向性です。しかし、ニュートリノが質量を得る方法を説明するには、いくつかの新しい物理学が必要であることも意味します。左手、右手、およびヒッグス粒子間の通常の相互作用は機能しません。
ニュートリノには独自のヒッグス場があり、ニュートリノのみを反射し、他の粒子は反射しないという考えがあります。 「ニュートリノが独自のヒッグス粒子を必要とするようなものです」とデ・グーヴェアは言います。
台湾の新竹にある国立理論科学センターの Chian-Shu Chen と台北の国立台湾大学の Ya-Juan Zheng は、この新しいヒッグス粒子の兆候がスイスの大型ハドロン衝突型加速器に現れる可能性があると計算しています。 「ニュートリノの質量メカニズムは、LHC の手の届く範囲で明らかになる可能性があると期待しています」と Chen は言います。
しかし、物理学者は通常、LHCが到達できるよりもはるかに高いエネルギーで新しい粒子が生成されることを期待しているため、それが起こった場合は「非常に幸運」であることを彼は認めています.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研究所のアレクセイ・スミルノフも同意見だ。 「私はこの活動を『ランプの下を探す』と呼んでいます」と彼は言います。 「LHC で何かを観測できるようにすること以外に、この建設の重大な動機はありません。」
もう1つの可能性は、通常のニュートリノよりもさらに社交的でないタイプのニュートリノを1つ以上追加することです。これは、右手系ニュートリノを単純に追加するという考え方に似ていますが、この場合、余分なニュートリノがそれ自体と相互作用して独自の質量を提供します。それは他の粒子に重力的にしか影響を与えないため、大量の「無菌」ニュートリノと呼ばれます。 「左利きの人にはそれぞれの質量があり、右利きの人にもそれぞれの質量があります」と、メリーランド大学カレッジパーク校の Rabindra Mohapatra は言います。
「無菌」ニュートリノが存在する場合、あたかも 2 つのニュートリノ タイプがシーソーの反対側にあるかのように、通常のニュートリノの質量に反比例する質量を持つはずです。そしてそれは、基本粒子の質量の分布における不可解なギャップを説明するのに役立つかもしれない、と Mohapatra は言う.陽子と中性子を構成するクォークは電子の約 10 倍の質量がありますが、電子は次に軽い粒子であるニュートリノの少なくとも 25 万倍の質量があります。 「ニュートリノの質量が電子の質量よりもはるかに小さいように見えるという事実について、私たちは常に心配していました」とモハパトラは言います。モハパトラが 35 年前に考案したシーソー機構では、通常のニュートリノの質量が非常に小さいことは、非常に重い無菌性もある場合に説明できます。
シーソー機構は、LHC での陽子衝突の残骸に現れるエキゾチックな荷電粒子を生成する可能性があります。大量の無菌ニュートリノの証拠を見つけることは、「ニュートリノの質量が、通常のヒッグス場以外の基本粒子の別の独立した質量源の証拠であることを教えてくれるので」刺激的です.このような発見は、物理学における最も基本的な問題の 1 つである、質量の起源の核心に到達するでしょう。
通常のニュートリノの質量が小さい理由は、重いステライル ニュートリノで説明できますが、世界最大の粒子加速器であるラージ ハドロン コライダーでさえ、それらにアクセスできない可能性があります。それでも、新しいタイプのニュートリノを見つけるという希望は失われていません。重い無菌ニュートリノには、通常のニュートリノの 10 倍から 100 倍の重さの低質量の無菌パートナーが存在する可能性があり、振動実験で現れる可能性があります。
軽量の無菌ニュートリノが存在する場合、それらの質量状態は、ニュートリノの既知の 3 つのフレーバーを生成する「重ね合わせ」の一部である可能性があります。つまり、振動実験では通常のニュートリノが予想よりも少なく検出される可能性があるということです。あるいは、予想よりもはるかに速く起こる振動を実験で探すこともできます。これは、無菌ニュートリノのより重い質量状態が通常のニュートリノの波長よりも短い波長を持つためです。そのため、それらの波が 3 つの通常の波に追加されると、最終的にニュートリノの種類間でより多くの揺れが生じます。
マサチューセッツ工科大学のジャネット・コンラッドは、IsoDAR と呼ばれる提案された実験でこれらのウィグルの形状を検索することを望んでいるチームの一員です。それはリチウムの放射性同位体を生成し、その崩壊は5年間で約1兆兆個の反ニュートリノを生成します。これらの反ニュートリノのいくつかは、近くの検出器と相互作用し続け、異なるエネルギーで検出された数の変化は、1つ以上の無菌ニュートリノからの余分な揺れを明らかにする可能性があります. 「私が予期していなかったニュートリノが出現したとか、そこにあったはずのニュートリノが消えたと言うだけでは不十分です」と彼女は言います。 「あなたはモーフィングが起こるのを見たいです。たくさんの猫とレースを繰り広げていて、最後に何匹かの犬を見つけたとしたら、その間に何が起こったのかを理解したいと思うでしょう。」
無菌ニュートリノが存在する場合、それらは宇宙論の多くの問題を解決するのに役立つ可能性があり、通常の物質よりも 5 倍以上も大きい神秘的な「暗黒物質」 (通常のニュートリノ。ビッグバンは計算できますが、暗黒物質を説明するのに十分な重さではありません)。
実際、これまでのいくつかの実験では、重量が約 1 電子ボルト、つまり電子の約 0.0002% である軽量の無菌ニュートリノのヒントが発見されています。問題は、この値が、宇宙の暗黒物質を説明するステライル ニュートリノの提案された質量や、ステライル ニュートリノの質量の他の推定値とは異なることです。 「無菌ニュートリノの唯一の一貫した側面は、一貫性のなさです」と、コペンハーゲン大学のジェイソン コスキネンは言います。
ニュートリノが形状変化する可能性があることを最初に示唆したポンテコルボに関して言えば、彼自身の人生はシーソーであったとは言えませんでした。彼はすぐにソ連に亡命したことを後悔するようになった。 「数年後、私は自分がどれほどばかだったかを理解しました」とポンテコルボは、彼の死の1年前の1992年に記者に語った.しかし、遅すぎました。彼の亡命は、彼が何年も国外旅行をすることを妨げ、彼の妻の神経衰弱に貢献し、皮肉なことに、彼が追求するためにおそらくイギリスを離れた原子炉研究から彼を締め出した、とポンテコルボの伝記作家シモーネ・トゥルケッティは言う。マンチェスター大学。 「これはまさに、2 つのまったく異なる世界で 2 つのまったく異なる生活を送っている男性の物語です」と Turchetti は言います。彼が研究した粒子のように。
Maggie McKee は、主に天文学と物理学を専門とするフリーランスのサイエンス ライターです。以前はの編集者でした 新しい科学者 と 天文学の雑誌、彼女は夫と一緒にボストンの近くに住んでいます.
