反ニュートリノ

反ニュートリノはニュートリノの反粒子である。原子核がベータ崩壊によって電子を放出するところでは、どこでもこれが生じる—原子炉の中、地球内部、そして恒星の中である。

歴史的にはこちらのほうが重要である。カワンとライネスによる最初のニュートリノ検出は、実のところ反ニュートリノの検出であった。

レプトン数という帳簿

違いは一つの保存量にある。すべてのレプトンに+1を、すべての反レプトンに−1を割り当てる。知られているすべての過程において、その総和は保たれる。

通常のベータ崩壊では、中性子が陽子と電子と反ニュートリノになる。電子が+1を、反ニュートリノが−1を担い、合わせて零となる。崩壊の前と同じである。

原子核の中で陽子が崩壊するときには、陽電子とニュートリノが生じる。すなわち−1と+1である。ここでも計算は合う。

この規則はより深い原理から導かれたものではない。それは観察された事実である— そしてまさにそのために興味深い。根拠のない規則こそ、最も倒れやすいものだからである。

実際上の違い

この帳簿は検出において具体的な結果をもたらす。

反ニュートリノは陽子を中性子と陽電子に変えることができる—逆ベータ崩壊である。 Daya BayからJUNOに至るまで、すべての原子炉実験はこれに基づいており、二つの光の閃きからなる特徴的な二重信号もこれによる。この過程には1.8メガ電子ボルトのしきい値がある。それ以下ではエネルギーが足りない。

ニュートリノにはそれができない。その代わりに中性子を陽子と電子に変える。これはレイモンド・デイビス（Raymond Davis）がホームステーク実験で用いた過程である— そして、彼の塩素タンクが太陽ニュートリノには反応したのに、原子炉の反ニュートリノには反応しなかった理由でもある。

デイビスはこれを明確に検証した。彼はタンクを一つ原子炉のそばに置き、何も見いださなかった。教科書どおりの陰性対照である—そして同時に、この区別が単なる帳簿ではなく実在することの証拠でもある。

何が違いをつくるのか

荷電粒子では違いは一目瞭然である。陽電子は電子と反対の電荷を担っており、どのような測定でも両者を取り違えることはない。

ニュートリノには電荷がない。私たちがニュートリノと反ニュートリノとして区別しているものは、測定可能な形ではヘリシティにおいてのみ異なる—すなわち、固有角運動量が飛行方向を向いているか、それとも逆を向いているかという問題である。

そしてまさにそこが弱点である。質量を持つ粒子ではヘリシティは絶対的な性質ではない。十分に速い観測者はその粒子を追い越すことができる。前方から見れば飛行方向は逆転するが、スピンはそうではない。

ニュートリノ振動が質量を裏づけている以上、この区別は観測者に依存する— 少なくとも原理的には。

未解決の問い、ディラックかマヨラナか

ここで一つの問いが生じる。エットーレ・マヨラナ（Ettore Majorana）が1937年に投げかけた問いである。ニュートリノと反ニュートリノは、状況に応じて異なって見えるだけの同一の粒子なのではないか。

そのような粒子は今日マヨラナ粒子と呼ばれる。対立する構想— 両者を本当に異なる状態とみなす立場—はディラック粒子と呼ばれ、その方程式から反粒子の存在がもともと導かれたポール・ディラック（Paul Dirac）にちなむ。

この問いを決着させられるのは、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊だけである。それはマヨラナが正しかった場合にのみ起こりうる。数十年にわたる探索にもかかわらず、それは観測されていない。

なぜ答えが重要なのか

もしニュートリノがマヨラナ粒子であれば、レプトン数は厳密な保存量ではないことになる。そうなればシーソー機構への道が開かれる。それはニュートリノ質量がなぜこれほど微小なのかを説明しうるものであり— さらにレプトン生成を通じて、宇宙がなぜ無ではなく物質からできているのかの説明にもつながる。

一見して技術的な問いに、最大級の未解決問題の一つがかかっているのである。

出典

E. Majorana: Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, Il Nuovo Cimento 14, 171 (1937).
Particle Data Group: Review of Particle Physics, Neutrinos節。