ニュートリノ

ニュートリノは電荷を持たず、質量が消え入るほど小さい素粒子である。弱い相互作用にのみ関与し、そのため物質をほとんど妨げられずに通り抜ける。

光の粒子に次いで、ニュートリノは宇宙で最も数の多い粒子である。毎秒およそ650億個が、太陽から来るものだけでも、あなたの皮膚の1平方センチメートルを通過している。あなたはそれに何も気づかない—そしてまさにそれが、ニュートリノの最も重要な性質である。

なぜこれほど捉えがたいのか

粒子は何かと相互作用することによって姿を現す。ニュートリノに開かれているのは四つの基本的な力のうち二つだけであり、しかもこの質量では重力は問題にならない。残るのは弱い相互作用である。

この力はその名にふさわしい—ただし、思われるのとは別の理由による。小さいのはその強さではなく、到達距離である。この力はWボソンとZボソンによって媒介され、これらは陽子のおよそ80倍の重さを持つ。これほど重いゲージ粒子はほとんど遠くまで届かない。到達距離は陽子の直径の1000分の1ほどである。

したがって、何かが起こるためには二つの粒子がきわめて近くまで接近しなければならない。断面積はそれに応じて極小となる。ニュートリノは厚さ数光年の鉛の壁をやすやすと通り抜ける。

ハンス・ベーテ（Hans Bethe）とルドルフ・パイエルス（Rudolf Peierls）は1934年、ここからニュートリノを観測する実際的な方法はないと結論した。彼らの計算は正しかった。彼らの結論は正しくなかった。

三つの種類

ニュートリノは三つの型で現れ、これらはフレーバーと呼ばれる。それぞれが一つの荷電レプトンに対応する。

種類	相手	検出
電子ニュートリノ	電子	1956年、カワンとライネスによる
ミューニュートリノ	ミュー粒子	1962年、ブルックヘブンにて
タウニュートリノ	タウ粒子	2000年、DONUTによる

ちょうど三つでありそれ以上ではないことは、仮定ではなく測定の結果である。1989年、 CERNにおけるZボソンの崩壊幅から三という数が導かれた— そもそも弱い相互作用に結合するすべての種類について、である。それ以外にステライルニュートリノが存在するかどうかは、未解決のままである。

それぞれの種類には反ニュートリノが対応する。ニュートリノと反ニュートリノが本当に異なるものなのか、それとも二つの現れ方をした同一の粒子なのかは、今日に至るまで答えが出ていない。

どこから来るのか

太陽から。その内部の核融合では、太陽ニュートリノが絶え間なく生じる。それらは私たちに届くもののうち、群を抜いて大きな割合を占める。

大気から。宇宙線は高度およそ15キロメートルで、大気ニュートリノを生み出す。

原子炉から。商用原子炉は毎秒およそ10²⁰個の反ニュートリノを放出する。

地球から。岩石中の放射性崩壊は地球ニュートリノをもたらす— 惑星の内部を見通す唯一の方法である。

宇宙から。SN 1987Aのような超新星や遠方の銀河核はニュートリノを放ち、 IceCubeとKM3NeTがそれを捉える。

ビッグバンから。宇宙ニュートリノ背景が全宇宙を満たしている。これまでのところ検出はされていない—エネルギーが低すぎるのである。

発見の歴史をかいつまんで

1930年、ヴォルフガング・パウリ（Wolfgang Pauli）は、ベータ崩壊におけるエネルギー保存則を救うために、この粒子を提案した。彼自身それを苦しまぎれの逃げ道と呼び、それが見つかることはあるまいと疑っていた。

1934年、エンリコ・フェルミ（Enrico Fermi）はその着想を理論にまとめ、この粒子に名を与えた— イタリア語で「小さな中性のもの」の意である。

1956年、フレデリック・ライネス（Frederick Reines）とクライド・カワン（Clyde Cowan）が原子炉でそれを検出した。パウリの提案から26年後のことである。

1998年と2002年、梶田隆章とアーサー・B・マクドナルド（Arthur B. McDonald）は、ニュートリノが互いに転換することを示した。これによりニュートリノが質量を持つことが裏づけられた。

より詳しくは年表に記されている。

質量とそれにかかわるもの

ニュートリノ振動は、ニュートリノが質量を持つことを証明している。それがどれほどの大きさかは、誰も正確には知らない。実験KATRINはそれを0.5電子ボルト未満に絞り込んだ— 電子はその100万倍以上の重さがある。

この微小さそのものが謎である。標準模型における他のすべての質量は、もっと互いに近い範囲にある。シーソー機構はそれを、まだ誰も見たことのない非常に重い何かの影として説明する。

これによりニュートリノ質量は今日に至るまで、 標準模型を超えることを示す唯一の確立した実験室での知見である。世界中で数十億の資金がますます大型の検出器へ注ぎ込まれているのは、そのためである。

エネルギー源としてのニュートリノ

Neutrino® Energy Groupは、常に存在する環境中の流れから電流を得るという取り組みを進めている— ニュートリノだけからではなく、複数の経路から同時に、すなわち粒子の運動量、宇宙線ミューオン、電磁的な揺らぎ、そして熱運動からである。同グループによれば、この取り組みはニュートリノボルタイックと呼ばれ、グラフェンとケイ素からなる多層構造に基づいている。

出典

Particle Data Group: Review of Particle Physics, Neutrino Properties節。
ノーベル財団：1995年、2002年、2015年のノーベル物理学賞。