ヘリシティ

ヘリシティは、粒子の固有角運動量がその飛行方向に対してどのような関係にあるかを表す。ニュートリノにおいてそれは注目に値する。観測されたニュートリノはすべて左巻きであり、反ニュートリノはすべて右巻きである。

他のどの粒子もこのような一方向性を示さない。

コルク抜きのたとえ

スピンを持つ粒子はいずれも回転軸を持つ。スピンが飛行方向を向いていればその粒子は右巻きと呼ばれ、逆を向いていれば左巻きと呼ばれる。

コルク抜きが助けになる。右ねじは回すと時計回りに前へ進み、左ねじは後ろへ進む。回転の向きと運動の向きは結びついている。

電子ではどちらの可能性もほぼ同じ頻度で現れる。ニュートリノでは明らかにそうではない。

ゴールドハーバーの傑作

1958年、モーリス・ゴールドハーバー（Maurice Goldhaber）、リー・グロジンズ（Lee Grodzins）、アンドリュー・スニヤー（Andrew Sunyar）はブルックヘブン国立研究所でニュートリノのヘリシティを決定した。その装置構成は今日なお、原子核物理学における最も優美な実験の一つとされている。

ニュートリノそのものは測定できない。そこで三人は別のものを測った。

励起したユウロピウム152の原子核が最内殻から電子を一つ捕獲する。そのとき生じるのは二つのものだけである。ニュートリノと、まもなくガンマ量子を放出する励起状態のサマリウム核である。他に何も生じないため、角運動量と運動量は両者の間で厳密に分け合われる。

ガンマ量子が一方の向きに飛べば、ニュートリノは反対の向きに進んだはずである。そして角運動量の収支が光の偏極をニュートリノのヘリシティに結びつける。

第二の工夫は選別であった。ちょうどニュートリノと反対向きに飛ぶガンマ量子だけが完全なエネルギーを担い、サマリウム中で共鳴散乱されうる。これにより放射されたすべての量子の中から、まさに求める種類のものを選り分けることができた。

偏極は磁化された鉄の中で解析された。そこでは回転の向きに応じて光の吸収の強さが異なる。

結果はこうであった。ニュートリノは左巻きである。実験全体は数メートルの装置で済んだ。

パリティとの関連

この一方向性は自然の性質であり、装置構成に由来する偶然ではない。

その2年前に呉健雄は、弱い相互作用が左と右を区別することを示していた。弱い相互作用は左巻きの粒子と右巻きの反粒子にのみ結合する。

ニュートリノはこの力によってのみ姿を現すため、右巻きのニュートリノは観測可能な世界にはまったく現れない。たとえ存在したとしても、どの検出器にとっても見えないままであろう。

なぜ質量がすべてを複雑にするのか

ニュートリノが質量を持たないと考えられていた間は、描像は閉じていた。質量のない粒子は光速で運動する。誰もそれを追い越せないため、そのカイラリティはどの観測者にとっても同じである。

質量を持つ粒子では事情が異なる。それは光より遅く、十分に速い観測者はそれ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—左巻きが右巻きになる。

ニュートリノ振動は質量を裏づけている。したがって右巻きの状態は存在せねばならない。ただし、それらは明らかにほとんど相互作用しない。

二つの逃げ道

ディラック。右巻きのニュートリノは、知られているどの力にも関与しない固有の粒子である。それらが非常に重いならば、道はシーソー機構へと通じる。

マヨラナ。ニュートリノと反ニュートリノは二つの現れ方をした同一の粒子である— エットーレ・マヨラナ（Ettore Majorana）は1937年にそう提案した。

決着をつけ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。それは見つかっていない。

出典

M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar: Helicity of Neutrinos, Physical Review 109, 1015 (1958).