MSW効果

MSW効果は、ニュートリノが物質中で真空中とは異なるふるまいをする理由を説明する。それは太陽ニュートリノ問題の解決であり、ミヘーエフ（Mikheyev）、スミルノフ（Smirnov）、 ウォルフェンシュタイン（Wolfenstein）にちなんで名づけられた。

基本的な考え

物質を通り抜けるニュートリノは、絶えず電子、陽子、中性子に出会う。相互作用はまれである— しかし本当の衝突がなくてもこの粒子は周囲を感じ取る。それは、光がガラスの中で個々の光子を失うことなく遅くなるのに似ている。

決定的なのは扱いの不均等さである。三つのニュートリノの種類はいずれもZボソンを介して物質と散乱しうる。しかし電子ニュートリノだけが、さらにWボソンを介して電子と相互作用できる— 通常の物質の中に相手となるものがあるのは、この種類に対してだけだからである。

電子ニュートリノはそれによって追加のポテンシャルを受ける。それはいわば、二つの兄弟とは別の媒質の中を進んでいるのである。

リンカーン・ウォルフェンシュタインはこの効果を1978年に記述した。

スタニスラフ・ミヘーエフとアレクセイ・スミルノフは1985年、そこから恒星の中で注目すべきことが導かれることを示した。

太陽の中心では密度がきわめて高い。外へ向かう途中でそれは着実に下がり、やがてニュートリノは真空へと出ていく。その途上のどこかで、追加のポテンシャルがちょうど質量差と釣り合う密度を通過する。

この場所で混合は最大になる—一つの種類から別の種類への転換がそこで最も効率よく進む。移行が十分にゆっくり起これば、ニュートリノは変化する周囲に従い、生じたときとは別の種類として主に太陽を離れる。

ここにこの効果を証明できた点がある。

共鳴密度はニュートリノのエネルギーに依存する。エネルギーの高いニュートリノは太陽の中心深くで共鳴に出会い、強く転換される。エネルギーの低いニュートリノはもはや相応の密度に達しない— それらは真空中と同じように振動するだけである。

そこから測定可能な一つの予測が導かれる。

エネルギー領域	電子ニュートリノとして残る期待値
1 MeV未満、たとえばppニュートリノ	およそ55パーセント、真空的なふるまい
5 MeV超、たとえばホウ素8	およそ30パーセント、MSW領域

まさにこの模様を実験は見いだした。高いしきい値を持つホームステーク実験は3分の1を見た。低いしきい値を持つGALLEXとSAGEはおよそ60パーセントを見た。 Borexinoはのちにその間の移行領域を測定し、予言された曲線を確認した。

太陽の模型の誤りであれば、すべてのエネルギーに一様に影響したはずである。単純な真空振動でも、やはり別の模様が生じたはずである。

MSW効果はエネルギー依存性の形を、それが測定される前に予言した—そしてそれは合っていた。これは物理学が知るかぎり最も強い種類の証拠である。

この効果はとうに太陽の特殊事情ではなく、一つの道具となっている。

質量の順序。地殻を通過する際、どのニュートリノ質量が最大かによってこの効果は異なる働きをする。 DUNEは1,300キロメートルの飛行距離でまさにそれを利用し、 KM3NeTのORCA部分も大気ニュートリノで同じことを行う。

超新星。崩壊しつつある恒星の中心では、この効果がニュートリノスペクトル全体を作り変えるほどの密度が支配する。将来の超新星の際には、そこから内部の過程を推し量ることができるであろう。

L. Wolfenstein: Neutrino oscillations in matter, Physical Review D 17, 2369 (1978).
S. P. Mikheyev, A. Yu. Smirnov: Resonance amplification of oscillations in matter and spectroscopy of solar neutrinos, Soviet Journal of Nuclear Physics 42, 913 (1985).