太陽ニュートリノ問題

33年にわたり、一つの数字が合わなかった。検出器は太陽から来るはずのニュートリノのおよそ3分の1しか測定しなかった—そして、太陽模型が誤っているのか、測定が誤っているのか、それともまったく別の何かなのか、誰にも言えなかった。

2001年の解決は、期待されていたどの答えよりも美しかった。

1968年の知見

レイモンド・デイビス（Raymond Davis）はサウスダコタ州のホームステーク金鉱に、 615トンのパークロロエチレン、すなわち普通のドライクリーニング液を入れたタンクを建設した。電子ニュートリノが塩素の原子核に当たると、それはアルゴンの原子核になる。

デイビスは数週間ごとに生じたアルゴン原子を洗い出し、それを数えた。それは380立方メートルのタンクの中の、文字どおり個々の原子であった— かつて試みられた中で最も感度の高い測定の一つである。

予測はジョン・バーコール（John Bahcall）によるもので、彼は太陽の内部を計算し尽くしていた。デイビスは根気強く、その3分の1ほどを測定し続けた。

30年以上にわたり、三つの説明が並び立った。

疑い	それが意味したであろうこと
太陽模型が誤っている	バーコールの計算が合っていない—中心は思われていたより冷たい
測定が誤っている	デイビスの方法がアルゴンを失っているか、数え違えている
ニュートリノが変化する	途中で何かが起こっている

はじめの二つはもっともらしく、それに応じて入念に検証された。バーコールは数十年にわたり自らの模型を精密化したが、予測は変わらなかった。デイビスは自らの方法を改善したが、欠損は残った。

三つ目の疑いは最も居心地の悪いものであった。それは標準模型を超える物理学を要求したからである。

1990年代、グラン・サッソのGALLEXとコーカサスのSAGEが、塩素ではなくガリウムで測定した— 大部分を占める陽子・陽子反応からの低エネルギーのニュートリノにも感度がある方法である。これらもまた少なすぎる数を見いだした。

スーパーカミオカンデは1996年から、水とまったく別の技術で測定した。やはり同じであった。

これで二つ目の説明は片づいた。四つの方法による四つの実験が、そろって同じ誤りを犯すことはありえない。

サドベリー・ニュートリノ観測所は、両方を同時に測定できた最初の装置であった— 電子ニュートリノだけと、三つの種類すべての総和である。

結果はこうであった。電子ニュートリノは欠けていた。総数はちょうど合っていた。

これで事は決着した。バーコールの太陽模型は初めから正しかった。デイビスの測定も初めから正しかった。欠けていたのは一片の物理学、すなわちニュートリノ振動であった。

レイモンド・デイビスは2002年、88歳でノーベル物理学賞を受けた—最初の測定から34年後のことである。その計算が初めから合っていたジョン・バーコールは顕彰されず、2005年に世を去った。

30年にわたり、どこかに誤りがあるように見えた。結局どこにも誤りはなかった— 欠けていたのは一つの自然法則であった。そのような事例はまれであり、それゆえ太陽ニュートリノ問題は今日に至るまで、居心地の悪い測定をいつ信じるべきかについての教材となっている。

R. Davis, D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for neutrinos from the Sun. Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
J. N. Bahcall: Solar Neutrinos. Physical Review Letters 12, 300 (1964).
Q. R. Ahmadほか（SNO）：Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
Nobel Prize Outreach: The Nobel Prize in Physics 2002, nobelprize.org.