T2K

T2K——Tokai to Kamioka——は日本の実験であり、 ニュートリノを295 キロメートルにわたって本州を横切って送り、 その途中でどのように変化するかを観測する。 2010年から稼働しており、 2013年には、 ニュートリノが消えるだけでなく別の種類として再び出現することの最初の証拠を与えた。

構造

東海岸の東海にある加速器施設J-PARCで、 陽子が黒鉛標的に当たる。 そこでパイ中間子が生じ、 電磁ホーンによって束ねられ、 崩壊領域でミューニュートリノを放つ。 それ以外のものはすべて遮蔽体が受け止める。 これはメルヴィン・シュワルツ（Melvin Schwartz）が1960年に提案した方法である。

源から280 メートル後方に二つの前置検出器がある。 INGRIDはちょうどビーム軸上にあり、 方向と強度を監視する。 ND280はその斜め横にあり、 退役したCERNの実験に由来する磁石の中に置かれ、 振動が働き始める前のビームの組成とスペクトルを測る。

もう一方の端、 西へ295 キロメートルのところにSuper-Kamiokandeがあり、 到達するものを数える。

斜めに見るという工夫

T2Kはオフアクシスで働く。 遠方検出器はビーム軸上ではなく、 そこから2.5 度ずれた位置にある。

これは欠点のように聞こえるが、 利点である。 軸上ではビームのエネルギースペクトルが広い。 エネルギーの異なるパイ中間子が速さの異なるニュートリノを与えるからである。 そこから少し横にずれると、 崩壊の運動学によって、 まったく異なるパイ中間子エネルギーから生じたニュートリノがほぼ同じエネルギーをもつようになる。 ビームは幅の狭いものになり、 およそ600 メガ電子ボルトに定まる。

これは任意の値ではない。 295 キロメートルではニュートリノ振動がちょうどそこで最大になる。

つまり強度を失って鋭さを得る。 エネルギー依存性に基づく測定にとって、 これはより良い取引である。 そして同じ手法は今日、 NOvAとHyper-Kamiokandeでも用いられている。

電子ニュートリノの出現

それまで振動はつねに消失によって測られていた。 ミューニュートリノを送り出し、 どれだけ欠けているかを数えるのである。 それがどこへ行くのかは見えなかった。

T2Kは逆に、 本来ならあるはずのないビーム中の電子ニュートリノを探した。 2011年、 共同研究グループは6個の候補を報告した。 主張するには少なすぎるが、 注目を集めるには十分であった。 2013年には28個が得られ、 期待されるバックグラウンドは5個弱であった。 有意性は7.3 標準偏差に達した。

これによりνμ → νeという転移が直接に証明され、 混合角θ₁₃がゼロと異なることが確認された。 Daya Bayが原子炉の測定からそれを決定した直後のことである。

この角がゼロでないことは、 その後のすべての前提であった。 もしゼロであったなら、 レプトン部門におけるCP対称性の破れはまったく測定できなかったであろう。

CP対称性の破れの手がかり

T2Kは電磁ホーンの極性を反転させ、 ニュートリノの代わりに反ニュートリノをつくることができる。 これによって次のように問うことができる。 両者は同じ頻度で変換するのか。

2020年、 共同研究グループはNature誌で、 データが明らかな差にもっともよく合うと報告した。 パラメータδ_CPの取りうる値の範囲の大部分が排除され、 「CP対称性の破れなし」という場合は95パーセントの範囲の外にあった。

これは手がかりであって証明ではない。 素粒子物理学では5標準偏差からはじめて発見とみなされる。 そのためにはHyper-KamiokandeとDUNEが必要である。 どちらもとりわけそのために建設中である。

なぜこれが物理学を超えて意味をもつのか

CP対称性の破れの背後にある問いは、 われわれの存在についての問いである。 ビッグバンでは物質と反物質が同じ量だけ生じたはずである。 物質が残ったということは、 両者のふるまいに差があることを要求する。

クォーク部門ではそのような差が知られているが、 桁違いに小さい。 残るのはニュートリノであり、 シーソー機構とレプトン数生成を通じて、 レプトン部門から宇宙の物質へ至る一つの道筋が考えられる。

T2Kはこの道が通れるかもしれないという最初の手がかりを与えた。

関連項目

• Super-Kamiokande — 標的となる検出器
• Hyper-Kamiokande — 後継機
• Daya Bay — θ₁₃の並行した測定
• PMNS行列 — δ_CPが現れる場所

出典

• T2K共同研究グループ: Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, Physical Review Letters 112, 061802 (2014).
• T2K共同研究グループ: Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, Nature 580, 339 (2020).