ステライルニュートリノ

ステライルニュートリノは仮説上の粒子である。すなわち弱い相互作用にすら関与しない第四のニュートリノの種類である。それらは通常のニュートリノよりもさらに控えめであり— 通常のニュートリノと混合することによってのみ気づかれうる。

それらは検出されていない。しかしそれらによって説明できる測定がいくつか存在する。

なぜちょうど三つなのか—そしてなぜそうではないかもしれないのか

1989年、CERNでZボソンの崩壊幅が測定された。そこから、いくつの軽いニュートリノの種類に結合しうるかが導かれる。結果は明白であった。三つである。

しかしこの測定が第四の種類を排除するのは、それが他と同じようにふるまう場合だけである。 Zボソンにまったく結合しないニュートリノは見えないままであろう。まさにそれがステライルという語の意味するところである。

そのような粒子は重力を除いて知られているどの力にも関与しないであろう。それが姿を現しうるのはニュートリノ振動を通じてのみである。通常のニュートリノが一時的にステライルな状態へ移り、そのときどの検出器にとっても消えたことになるのである。

複数の独立した測定が、描像に合わない欠損を示している。

ガリウム異常。クロム51とアルゴン37の人工線源によるSAGEとGALLEXの較正において、測定された率は計算値より10から20パーセント低かった。後継実験BESTが2022年にこれを確認した。

原子炉異常。2011年の再計算によれば、原子炉は期待よりおよそ6パーセント少ない反ニュートリノをもたらす。

LSNDとMiniBooNE。二つのアメリカの加速器実験が、予測より多くの電子ニュートリノを見いだした。LSNDは1990年代に、 MiniBooNEはのちに同様の結果を得た。

目を引くのは、これらの偏差がすべて短い距離で現れることである。電子ボルト程度の質量を持つステライルニュートリノは、まさにそこで効くはずである— 確立した実験の長い距離では、とうに平均化されてしまうであろう。

事柄は決して決着しておらず、いくつかの点がそれに反する。

MINOS+、IceCube、Daya Bayといった実験は、対応する振動の模様を狙って探し、何も見いださなかった。それらの排除領域は異常が示唆する領域と重なっている— つまりこれらの知見は互いに両立しないのである。

宇宙論も限界を課す。軽い粒子の種類が一つ増えれば、初期宇宙の膨張は速まり、軽い元素の生成が変わっていたであろう。観測はそのための余地をほとんど残していない。

そして最後に、これらの異常は個別には説明可能である。ガリウム異常では基礎となる原子核遷移が議論の対象であり、原子炉異常ではウラン235のベータスペクトルが問題で、それはその後改められた。

これは一つの研究分野が抱えうる最も不満足な状況である。個別には説明できるものの、合わせると依然として目を引く、いくつかの弱い手がかりである。

軽い形のほかに、キロ電子ボルト程度あるいはそれをはるかに超える質量を持つ重いステライルニュートリノも検討されている。

そのような粒子は暗黒物質の候補となりうる。そしてシーソー機構の中にはもともとそれらが現れる— そこでは重い右巻きの相手はステライルニュートリノにほかならない。

この形においてこの着想は決して異端ではなく、ニュートリノ質量の小ささについての最も尊重される説明の一つの構成要素である。違いは質量にある。重いステライルニュートリノは理論的によく動機づけられているが到達できず、軽いものは測定可能だが理論的に収まりが悪いのである。

軽いステライルニュートリノは、実験室で作り出せる標準模型を超えた最初の粒子となるであろう。数パーセントの偏差を追跡するには十分に高い賭け金である—たとえその確率が小さくともである。

BESTコラボレーション：Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).
Particle Data Group: Review of Particle Physics, Sterile Neutrinos節。