ハイパーカミオカンデ（HyperK）は、2025 年 6 月 28 日に日本の飛騨市で完成に近づく。このプロジェクトは、ニュートリノを観察することで宇宙の進化の歴史を研究することを目的としている。Satoshi Oga / The Yomiuri Shimbu/Reuters
なぜ何もないのではなく何かがあるのでしょうか？その形而上学的な栗のバージョンは、何世紀にもわたって哲学者や物理学者を悩ませてきました。
今回、科学で知られている最もとらえどころのない粒子であるニュートリノを研究する 2 つの研究チームの結果を組み合わせた結果、なぜ物質が存在する宇宙に私たちが住んでいるのかについての手がかりが得られる可能性が示されました。
水曜日にネイチャー誌に掲載されたこの結果は、来年カナダで開始される実験を含む将来の実験がこの疑問をさらに明らかにする可能性を示唆している。
オンタリオ州サドベリーでの新たな暗黒物質探索。
ニュートリノは粒子の世界のフェザー級です。それらは 3 つの質量カテゴリに分類され、その中で最も重いものは、小さな電子より少なくとも 100 万倍軽いと推定されています。
実際、ニュートリノに質量があるという事実は、物理学の未解決の謎の 1 つです。それは、ニュートリノの重さを直接量ることによってではなく、ニュートリノがアイデンティティーシフターであることを示すことによって発見されました。個々のニュートリノは宇宙を移動する際、あたかも 3 つの質量カテゴリの継続的に変化する混合物の中にあるかのように動作します。数学的に言えば、これらの奇妙な振動は、ニュートリノが少なくとも部分的にゼロより大きい質量を持つことを必要とします。
2015年、クイーンズ大学の物理学者アート・マクドナルドは、オンタリオ州サドベリー近くの鉱山深部での実験でニュートリノ振動が本物であることの証明に貢献した功績が評価され、ノーベル物理学賞を受賞した。
それ以来、世界中のチームがニュートリノ振動の調査を続け、粒子と宇宙全体に関する新しい情報を収集してきました。
スーパーカミオカンデ検出器の写真と、2015年にカナダのアーサー・B・マクドナルド氏とともにノーベル物理学賞を受賞した日本の梶田隆章氏の研究分野を説明するイラストが、2015年10月6日にストックホルムのスウェーデン科学アカデミーのスクリーンに展示された。ジョナサン・ナックストランド/ゲッティイメージズ
そのような実験としては、日本の T2K と米国の NOvA の 2 つがあり、これらの実験が連携して新たな結果を生み出しました。各実験では、粒子加速器でニュートリノのビームを生成し、数百キロメートルの固い岩にビームを発射しますが、ニュートリノはほとんど気づきません。その後、別の地下施設にある検出器で検出されます。どちらの実験でも、科学者はビームを切り替えて、ニュートリノに相当する反物質である反ニュートリノを生成し、同じ手順を繰り返します。
カナダの実験と同様、地下で高感度の測定を行う理由は、宇宙から絶えず降り注いで地表レベルで収集されたデータをすべて飲み込んでしまう宇宙線を避けるためである。
T2KとNOvAはどちらも、3つの異なるニュートリノ質量が相互にどのように関係しているのか、また同様の条件下で生成された反ニュートリノ質量とどのように関係しているのかを識別することを目的として長年運用されてきた。重要な問題は、3 つの質量カテゴリのうち 2 つが比較的軽く、3 つ目のカテゴリだけがはるかに重いかどうかです。あるいは、その逆で、1 つの非常に低質量のニュートリノ (おそらく質量ゼロ) と 2 つのより重いニュートリノの質量がある可能性があります。
最新の取り組みでは、2 つの実験の背後にあるチームがすべてのデータを組み合わせて、その疑問を解明しました。この結果は決定的な答えを提供するものではありませんが、興味深い手がかりを 1 つもたらします。軽いニュートリノの質量が 1 つだけで、より重いニュートリノの質量が 2 つだけ存在する場合、結果は、ニュートリノと反ニュートリノの挙動の間に何らかの非対称性があるに違いないことを示しています。
バージニア州ウィリアムズバーグにあるウィリアム・アンド・メアリー大学の物理学教授であり、NOvA実験のメンバーでもあるパトリシア・ヴァーレ氏は、「そこにこれほど強い制約があるとは予想していなかったので、とても興奮した」と語った。
このような非対称性は、宇宙の始まりにビッグバンによって物質と反物質が同量生成されたと考えられているにもかかわらず、どのようにして宇宙が銀河、星、そしてすべて物質でできた人々によって占められるようになったのかを解明することになるため、これは興味深い。このままでは物質と反物質は互いに消滅し、光だけが残ることになる。宇宙が始まった後に物質の過剰をもたらしたものが何であれ、最終的に私たちの存在を可能にしたのです。
ノーベル賞受賞10周年を記念して先週クイーンズで開催された祝賀会に出席したマクドナルド博士は、2つの実験がニュートリノの質量に与えた条件と、物質・反物質の問題との関係が、総合された結果の最も重要な部分であると述べた。
これは、別の実験で 3 つの質量がどのように順序付けられているかを決定できれば、「ニュートリノと反ニュートリノが異なる振動パターンを持つかどうかが分かる」ことを意味します。
この疑問に寄与する可能性のある実験の 1 つは、マクドナルド博士がサドベリーで行った最初のノーベル賞受賞実験の再構成された後継実験であり、SNO+ と呼ばれています。その実験の新たな段階は来年始まる予定だ。
一方、HyperK と DUNE と呼ばれる、T2K と NOvA のより強力なバージョンの計画も進行中です。
トロントのヨーク大学の物理学教授であるデボラ・ハリス氏は、DUNEに取り組んでいる科学者の1人で、早ければ2029年に稼働する可能性がある。彼女は、ニュートリノ振動は現在、科学者の現実の理解を進めるための最も有望な手段の1つを提供していると述べた。
「宇宙には、私たちが知っている光以外の粒子のほぼ10億倍のニュートリノが存在します」とハリス博士は言いました。 「基本的なレベルでは、宇宙を理解することはニュートリノを理解することを意味します。」
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