太陽ニュートリノ

太陽ニュートリノは太陽の内部での核融合によって生じる。それは私たちに届くニュートリノの中で群を抜いて数が多く— そして太陽の中心から直接私たちのもとへ来る唯一の使者である。

毎秒およそ650億個が、あなたの皮膚の1平方センチメートルを通過している。

なぜそれが唯一の直接の眺めなのか

太陽の光はその表面から来る。その光が運ぶエネルギーは中心で生み出されたものである— しかしそれは外へ出る道のりに数万年を要した。数え切れないほど何度も吸収され、また放出されたからである。

したがって私たちが空に見ているのは、非常に古い報告である。それは今日の中心の状態については何も語らない。

ニュートリノは妨げられることなく中心を離れ、8分あまりでここに届く。それを数える者は、まさにこの瞬間の太陽が燃えるさまを見ているのである。

ハンス・ベーテ（Hans Bethe）は1939年、恒星が水素をヘリウムへ融合させる二つの道を記述した。

陽子・陽子連鎖は太陽ではエネルギーのおよそ99パーセントをもたらす。四つの陽子がいくつかの中間段階を経て一つのヘリウム核になり、そのとき陽電子とニュートリノが生じる。

CNOサイクルは太陽ではおよそ1パーセントを担う。炭素、窒素、酸素が触媒として働き、それ自体は消費されない。より重い恒星ではこの道が優勢になる。

この連鎖にはいくつかの分岐があり、それぞれが固有のエネルギーと固有の頻度を持つニュートリノをもたらす。

この配分が太陽ニュートリノ問題の物語を解く鍵である。どの検出器もその一部しか見ないからである。

814 keVのしきい値を持つホームステーク実験は、まれなホウ素8ニュートリノだけを捉えた— 全太陽ニュートリノの10万分の1にも満たない。GALLEXとSAGEはガリウムによって233 keVまで下げ、初めて主反応を見た。

まさにこの段階づけが決定的な知見を可能にした。

ホームステークは期待される率のおよそ3分の1を見いだした。ガリウム実験はおよそ60パーセントを見いだした。これは矛盾ではなく一つの模様である。欠損はエネルギーに依存するのである。

太陽模型の誤りであれば、そのようには働かなかったであろう。これに対し途中での転換ならそうなる—しかもMSW効果が説明するとおり、まさにこの形でである。

二つの装置が最終的にこの描像を完成させた。

サドベリー・ニュートリノ観測所は2002年、三つのニュートリノの種類の総和がジョン・バーコール（John Bahcall）の予測とちょうど一致することを示した。

Borexinoはその後、個々の源を順に測定した。2007年にベリリウム7、2012年にpep、2014年にppニュートリノ、そして最後に2020年にCNOサイクルである—ベーテが80年前に記述し、それまで誰も見たことのなかった道である。

これにより太陽は今日、最も精密に測定された恒星であり、しかも内部からである。

ニュートリノの率は中心温度に敏感に依存する—ホウ素8ではおよそ18乗で効く。したがって率の測定は太陽内部のきわめて精密な温度計である。

さらにCNOニュートリノとppニュートリノの比から、太陽の中心におけるより重い元素の含有量を推し量ることができる— 異なる方法が異なる値をもたらすために、天体物理学で長年未解決となっている問題である。

J. N. Bahcall, A. M. Serenelli, S. Basu: New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes, The Astrophysical Journal 621, L85 (2005).
Borexinoコラボレーション：Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).