大気ニュートリノ

大気ニュートリノは、宇宙線が地球の大気に当たるときに生じる。それは1998年にニュートリノ振動が初めて検出された源であり— 今日に至るまで物理学における最も優美な測定配置の一つをもたらしている。

どのように生じるのか

宇宙から高いエネルギーの陽子と原子核が絶えず地球に降り注ぐ。高度およそ15から20キロメートルでそれらは窒素や酸素の原子核と衝突し、主にパイ中間子とK中間子からなる二次粒子のシャワーを生み出す。

荷電パイ中間子はミュー粒子とミューニュートリノに崩壊する。ミュー粒子はさらに電子、電子ニュートリノ、そしてもう一つのミューニュートリノに崩壊する。

合計すると、ミューニュートリノは電子ニュートリノの2倍あると期待される。

宇宙線の絶対的な流束はおよそ20パーセントの精度でしか分かっていない。数パーセントが問題となる測定にとって、それは役に立たない。

これに対し2対1という比は、もっぱら崩壊の連鎖から導かれる。それは宇宙線が今どれほど強いか、その組成がどうであるかにほとんど依存しない。つまり鋭い予測を得るために、源を正確に知る必要がないのである。

まさにそれが、誰も制御していないにもかかわらず、大気ニュートリノを精密測定に使えるものにしている。

第二の特色は幾何学的なものである。地下深くにある検出器はあらゆる方向からニュートリノを受け取る— しかしそれらはきわめて異なる道のりを経ている。

上から来るニュートリノは検出器の15キロメートル上空で生じた。 下から来るニュートリノは惑星の反対側で生じ、およそ13,000キロメートルを進んできた。

したがって同一の検出器が、きわめて短い距離ときわめて長い距離を同時に測っている— 1000対1に近い比であり、しかも加速器も、第二の設置場所も、費用も要しない。

振動は飛行距離に依存するため、その効果は入射角への依存として現れる。

スーパーカミオカンデはまさにそれを利用した。この検出器は上からは期待どおりの数のミューニュートリノを見いだしたが、下からはおよそ半分しか見いださなかった。電子ニュートリノにはそのような欠損は見られなかった。

この角度依存性こそが本当の証明であった。検出器の誤りであれば上でも下でも同じように働いたはずである。飛行距離に依存する転換なら、ちょうどこのように働く。

梶田隆章は1998年6月にこの結果を発表した。それはニュートリノが振動し、したがって質量を持つことの最初の確固たる証明であった。2015年にはノーベル賞が続いた。

この測定の美しさは、必要としたものの少なさにある。一つの検出器、空、そして物差しとしての地球である。

大気ニュートリノは引き続き測定されている。IceCubeとKM3NeTのORCA部分は、ニュートリノ質量の順序を定めるためにそれを利用している—地球を通過する際、どの質量が最大かによってMSW効果が異なる働きをするからである。

エネルギー領域は数百メガ電子ボルトからペタ電子ボルトの領域にまで及ぶ。最も高いエネルギーでは、さらにチャームクォークを含む粒子の崩壊が寄与する— それはまだ確実には測定されていない寄与である。

同時に大気ニュートリノは、別のものを探しているあらゆる場所で背景となる。

陽子崩壊や暗黒物質の実験にとって、それは実行可能性の限界をなす。それを遮蔽することはできない—世界のどの岩盤もそれを止めない。ある検出器の大きさを超えると、それは求める信号を必然的に覆い隠す。

この障壁は専門用語でニュートリノ・フットプリントと呼ばれ、一つの装置分類全体の感度がどこで終わるかを示している。

Super-Kamiokandeコラボレーション：Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).