https://news.yahoo.co.jp/articles/069bc29f877b5380935eef5275e9a9f846223549
ニュートリノと呼ばれる素粒子と、その対となる反ニュートリノ。それらの振る舞いの違いを示すこれまでで最も強力な証拠が、このほど検出された。
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ビッグバンによって物質と反物質が対生成されたにもかかわらず、現在の宇宙では物質が圧倒的に多くなっているが、今回の実験結果はその理由を解き明かす鍵となる可能性がある。さらにこの結果は、今日存在するあらゆるものがなぜ「存在できている」のか解き明かす鍵になる。物質と反物質が同数あった場合は、互いに打ち消しあって消滅していたと考えられるからだ。
実験で高まった信頼度
「今回の結果は、ニュートリノと反ニュートリノの間に大きな非対称性があることの手がかりとなります」と、イリノイ州のフェルミ国立加速器研究所とカナダのヨーク大学に所属する物理学者のデボラ・ハリスは語る。ハリスは今回の研究には参加していない。
「大発見です」と、彼女は言う。「どのような過程で反物質より物質が優位になったのかが解明されようとしているのです」
今回の研究結果を科学誌『Nature』で発表した日本の「T2K 実験国際共同研究グループ」の共同スポークスパーソンでジュネーヴ大学に所属するフェデリコ・サンチェス・ニエトは、「強力な手がかりを得られたのは今回が初めてなので、非常にうれしいです」と話す。
T2Kグループは、ニュートリノと反ニュートリノの振る舞いの違いについて、2016年からその兆候を観測し始めていた。ここ数年でさらなるデータの収集とデータ分析技術の改善が加わり、今回の新しい実験結果の信頼度は、物理学の世界で物理現象の公式な証拠として認められる統計的なレヴェルまで上がっている。
「この現象の有意性は、集まったデータによって高まっています。データは、結果が正しい場合に期待されるものだったのです」と、ドイツのマックス・プランク核物理学研究所でニュートリノを研究する物理学者のヴェルナー・ロデヨハンは語る。ロデヨハンは今回の実験に参加していない。
発見を完全に主張する上で十分なデータを収集するには次世代の実験が必要だが、証拠は研究チームが予想していたよりも早く集まっている。ニュートリノと反ニュートリノは大きく異なっているようなのだ。「自然はわれわれにとても親切なようです」と、ロデヨハンは語る。
「CP対称性の破れ」を裏付ける糸口に
ニュートリノはどこにでも存在する一方で謎に包まれており、発生は簡単だが検出は難しい。
ニュートリノは太陽や星の核反応で噴出し、われわれの体を毎秒数兆個が通り抜けている。非常に軽いこの粒子はとても捕まえにくいので、その性質はいまだに調査中だ。
1990年代から続く実験によると、ニュートリノと反ニュートリノは空間を飛ぶ間に、電子型、ミュー型、タウ型という3種類の「フレーヴァー」の間で変化することがわかっている。
T2Kの科学者らは2009年以来、茨城県東海村でミュー型のニュートリノと反ニュートリノを生成し、約295km離れた岐阜県飛騨市神岡町のニュートリノ観測施設「スーパーカミオカンデ」に向けて発射してきた。
スーパーカミオカンデは50，000トンの超純水を蓄えた光センサー付きのタンクから構成される地下装置だ。ときおり発射されたニュートリノ粒子はスーパーカミオカンデへの到着時にタンク内にある原子と反応し、チェレンコフ光を放射する。光センサーは、このチェレンコフ光をとらえるためのものだ。
科学者らは、長距離を飛行する間に振動してミュー型から電子型に変化したニュートリノと反ニュートリノを観測した。この実験で得られたデータは、反ニュートリノよりもニュートリノのほうが振動する可能性が高いことを示している。
ニュートリノと反ニュートリノの振る舞いの違いは、CP位相角と呼ばれる量によって決まる。もしこの位相角が0度で、ニュートリノと反ニュートリノの振る舞いが同じ（CP対称性が保存）だったとしたら、実験ではおよそ68の電子型ニュートリノと20の反電子型ニュートリノが検出されたはずだった。ところが実際に検出されたのは90の電子型ニュートリノと、わずか15の反電子型ニュートリノである。この非常に偏った結果は、CP対称性の破れが、非常に大きくなる可能性を示している。
「われわれは最初のろうそくを灯しました」と、サンチェス・ニエトは語る。「しかし、（CP対称性の破れを完全に発見するという）より大きな成果はまだ実現していません」
物質で溢れた宇宙はどう生まれたのか？
ニュートリノにおけるCP対称性の破れは、物質がどのように原始の宇宙に普及するようになったかに関する理論を裏付けるものだ。
この理論は、ニュートリノがすべて「左巻き」であるという、ニュートリノのもうひとつの印象的な性質を唱えている。つまり、自分に向かって放射されるニュートリノは常に時計回りに回転しているように見えるということだ。一方、すべての反ニュートリノは右巻きで、反時計回りに回転しているように見える。
この性質と、ニュートリノの質量が不可解なまでに小さいという事実を踏まえ、専門家はニュートリノと反ニュートリノに、かつて非常に重くて逆巻きの対になる存在がいたのではないかと考えている。つまり、ニュートリノには右巻きの、反ニュートリノには左巻きの相手だ。
こうした非常に重い粒子は、高温でエネルギーが高かった原始の宇宙でのみ形成でき、すぐに軽い粒子へと崩壊してしまったのだと思われる。だが、もしこの崩壊が非対称だったのなら、それによって今日の生命と宇宙を形づくる余剰な物質がもたらされたのかもしれない。
「シーソー機構」と呼ばれるこの理論が真実だとすると、質量の軽いニュートリノと反ニュートリノにおけるあらゆるCP対称性の破れは、質量が重い相手にも存在するはずだ。「軽いニュートリノにはCP対称性の破れがあるのに、重いニュートリノにはCP対称性の破れがないというのは非常に考えにくいことです」と、ハリスは語る。
米国の「NOvA」と呼ばれる実験でもニュートリノの振動を観測しており、CP対称性の破れのヒントが探られている。だがいまのところNOvAとT2Kは、互いの結果を組み合わせてさえも、この現象を統計学的な確実性をもって示すことはできない。
とはいえ、将来的にはより大規模な実験によってCP位相角を特定できるはずだ。米国では「DUNE」という実験プロジェクトが2027年に始まる予定で、日本ではT2Kを受け継ぐT2HKが計画されている。
「今回T2Kで結果が得られたことは、次世代の実験によってCP対称性の破れを発見する観測が可能になることを示唆しています」と、ハリスは話す。
一方、「原始の宇宙には重い右巻きのニュートリノと左巻きの反ニュートリノが存在し、そうした粒子が崩壊したことで、われわれが現在目にしている物質で溢れた宇宙が生み出された」という仮説の真相を確かめるには、もうひとつ別の重要な観測が必要になる。物理学者たちは、仮説が正しければ非常に稀だが起こりうる「核崩壊」を探しているのだ。略
