ニュートリノ質量

ニュートリノが質量を持つことは1998年以来裏づけられている。それがどれほどの大きさかは、今日に至るまで誰も知らない。分かっているのは上限と下限だけであり— そしてそれらは大きく隔たっている。

それは標準模型の中で未確定のまま残された唯一の粒子質量である。

振動が明かすこと—そして明かさないこと

ニュートリノ振動は質量を証明する。質量のない粒子は転換できないからである。しかしそれがもたらすのは質量二乗の差だけであり、決して絶対値ではない。

量	測定値
Δm²₂₁	およそ 7.5 × 10⁻⁵ eV²
Δm²₃₁	およそ 2.5 × 10⁻³ eV²

これらの差から一つの下限が導かれる。三つの状態のうち最も重いものは、少なくともおよそ0.05電子ボルトの重さがなければならない。それより小さくてはならない。さもなければ間隔が合わなくなるからである。

上に向かってはそれらは何も語らない。三つの質量がすべて1電子ボルトのあたりにあり、その間に同じ小さな間隔があるということもありうる。

運動学的な道。KATRINはトリチウムのベータ崩壊における電子スペクトルの上端を測定している。ニュートリノが質量を持てば、スペクトルはごくわずかに手前で終わる。この道はモデルの仮定なしで済み、エネルギーと運動量の保存だけに基づいている。

2025年の時点では0.45電子ボルト未満である。この装置の目標は0.2である。

二重ベータ崩壊を経由する道。ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊が見つかれば、そこから有効質量を導くことができる。難点はこうである。それが機能するのはニュートリノが自分自身の反粒子である場合だけであり—つまりこの道は、自ら証明すべきことを前提としているのである。

宇宙論的な道。初期宇宙においてニュートリノは非常に数が多かったため、その質量が大規模構造の形成に影響を与えた。銀河の分布と宇宙マイクロ波背景放射から、三つの質量の和に対する限界が導かれ、それは実験室のどの結果より鋭い— ただしそれらは前提とする宇宙論模型に依存する。

これら三つの道は互いに独立している。それらが両立しない結果に至れば、それ自体が一つの発見となるであろう。

大きさのほかに、その配列も分かっていない。

正常階層では二つの状態が軽く、一つが明らかに重い。逆階層ではその逆である。どちらもこれまでのすべての測定と両立する。

JUNOは原子炉ニュートリノのスペクトルに現れる細かな波の構造からこれを決定する予定であり、 DUNEは地殻を通過する際のMSW効果を通じてそれを行う。

この答えには単なる序数以上のものがかかっている。逆の配列であれば、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊は明らかに見つけやすくなる—正常な配列であれば、当面のあいだ到達できないままかもしれない。

最も軽い荷電粒子である電子は511,000電子ボルトの重さがある。ニュートリノは少なくとも100万倍軽い。

標準模型における他のすべての質量は、数桁の範囲に収まって互いに近い。ニュートリノはその枠から外れている—しかも、偶然という説明では誰も納得しないほど遠く外れている。

最もよく知られた説明の試みはシーソー機構である。その微小さは、きわめて重くこれまで観測されていない相手の粒子の影だというのである。

ニュートリノは非常に数が多いため、微小な質量でさえ重みを持つ。観測可能な宇宙のすべてのニュートリノを合わせると、その質量に応じて、見えるすべての恒星と同程度、あるいはそれよりはるかに多く寄与する。

これによりニュートリノ質量は、宇宙論と素粒子物理学の双方にまたがる量となる。それはまれなことであり、これほど異なる専門家集団がその答えを待っている理由を説明している。

KATRINコラボレーション：Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
Particle Data Group: Review of Particle Physics, Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations節。