ニュートリノ

ニュートリノ (Neutrino) は、素粒子のうちの中性レプトンの名称。中性微子とも書く。電子ニュートリノ・ミューニュートリノ・タウニュートリノの3種類もしくはそれぞれの反粒子をあわせた6種類あると考えられている。ヴォルフガング・パウリが中性子のβ崩壊でエネルギー保存則が成り立つようにその存在仮説を提唱した。「ニュートリノ」の名はβ崩壊の研究を進めたエンリコ・フェルミが名づけた。フレデリック・ライネスらの実験によりその存在が証明された。

性質[]

標準モデルにおける
ニュートリノの分類
フェルミオン	記号	質量**
第一世代
電子ニュートリノ	ν_e	< 2.5 eV
反電子ニュートリノ	ν_e	< 2.5 eV
第二世代
ミューニュートリノ	ν_μ	< 170 keV
反ミューニュートリノ	ν_μ	< 170 keV
第三世代
タウニュートリノ	ν_τ	< 18 MeV
反タウニュートリノ	ν_τ	< 18 MeV

ニュートリノは電荷を持たず、 $\begin{matrix}\frac{1}{2}\hbar\end{matrix}$ のスピンを持つ。また質量は非常に小さいが存在することが確認された。

ニュートリノには電子ニュートリノ (ν_e)、ミューニュートリノ (ν_μ)、タウニュートリノ (ν_τ) の3世代とそれぞれの反粒子が存在する。これらは電子、ミュー粒子、タウ粒子と対をなしている ^[1] 。

相互作用[]

ニュートリノは強い相互作用と電磁相互作用がなく、弱い相互作用と重力相互作用でしか反応しない。ただ、質量が非常に小さいため、重力相互作用もほとんど反応せず、このため他の素粒子との反応がわずかで、透過性が非常に高い。

そのため、原子核や電子との衝突を利用した観測が難しく、ごく稀にしかない反応を捉えるために高感度のセンサや大質量の反応材料を用意する必要があり、他の粒子に比べ研究の進みは遅かった。

ファイル:First neutrino observation.jpg

最初の写真 米国アルゴンヌ国立研究所に設置されたZero Gradient Synchrotronの水素泡箱で観測された史上初のニュートリノ（1970年11月13日）。ニュートリノは電荷を持たず泡箱に軌跡を残さない。写真右手中央の黒い影の右側で三つの軌跡が突然始っている。この位置でニュートリノが陽子に衝突した。同時に生成したミュー粒子は非常に見分けにくいがほぼ直線状に軌跡を残している。短い軌跡は陽子。

反粒子[]

電荷を持たない粒子であるため、中性のパイ中間子のようにそれ自身が反粒子である可能性がある。ニュートリノの反粒子がニュートリノ自身と異なる粒子であるか否かは現在でも未解決の問題である。

仮説と検証[]

アルファ崩壊の場合、アルファ粒子（アルファ線）と新しく出来た原子核の質量との合計は、崩壊前の原子核の質量よりも小さくなる。これは、放出されたアルファ粒子の運動エネルギーが、崩壊前の原子核の質量から得られているためである。

ベータ崩壊の場合は、運動エネルギーの増加が質量の減少より小さかったため、研究者の間で混乱が生じた。ニールス・ボーアは放射性崩壊現象ではエネルギー保存の法則が破れると主張した。

一方、ヴォルフガング・パウリは、エネルギー保存の法則が成り立つようにと、ベータ崩壊では中性の粒子がエネルギーを持ち去っているという仮説を1930年末に公表した。また、1932年に中性子が発見されたのをきっかけに、エンリコ・フェルミはベータ崩壊のプロセスを「ベータ崩壊は原子核内の中性子が陽子と電子を放出しさらに中性の粒子も放出する」との仮説を発表した。また、質量は非常に小さいか、もしくはゼロと考えられた。そのため、他の物質と作用することがほとんどなく検出には困難を極めた。

1953年から1959年にかけて行われたフレデリック・ライネスとクライド・カワンの実験により初めてニュートリノが観測された。この実験では、原子炉から生じたニュートリノビームを水にあて、水分子中の原子核とニュートリノが反応することにより生じる中性子と陽電子を観測することで、ニュートリノの存在を証明した。

1962年、レオン・レーダーマン、メルヴィン・シュワーツ、ジャック・シュタインバーガーらによって ν_e と ν_μ が違う粒子であることが実験で確認された。これは、15 GeV の高エネルギー陽子ビームを使ってパイ中間子(π)をつくり、ミュー粒子 (μ) とミューニュートリノ (ν_μ) に崩壊してできたミューニュートリノを標的にあてた。この結果、標的で弱い相互作用によってミュー粒子は生じたが、電子は生成されなかった。

質量[]

例えば光子は質量が 0 である理論的根拠が存在するが、ニュートリノについては質量が有限値を持ってもかまわない。が、この粒子は弱い相互作用しかしないこともあってその質量が観測できず、質量を持たないとするのが一般的であった。

ニュートリノが質量を持つとするといくつかの現象が予測されるが、その中に量子状態の混在がありえるためニュートリノが電子・ミュー・タウの型の間で変化するニュートリノ振動とよばれる現象があった。

この現象について、1998年6月にスーパーカミオカンデ共同実験グループは、宇宙線が大気と衝突する際に発生する大気ニュートリノの観測から、ニュートリノ振動の証拠を99%の確度で確認した。また、2001年には、太陽からくる太陽ニュートリノの観察からも強い証拠を得た。

ただし、ニュートリノ振動からは型の異なるニュートリノの質量差が測定されるのみで、質量の値は解らない。が、これに先立つ超新星SN 1987Aからの電子ニュートリノの観測時刻が光学観測との間で理論的に有意な差を観測できなかったことから、きわめて小さな上限値が得られており、共同研究チームは3種のニュートリノの質量を発表している。

その後、つくば市にある高エネルギー加速器研究機構 (KEK) からスーパーカミオカンデに向かってニュートリノを発射するK2Kの実験において、ニュートリノの存在確率が変動している状態を直接的に確認し、2004年、質量があることを確実なものとした。

ニュートリノの質量が有限値を持つことは理論研究に大きな影響を与える。まず問題になるのは、これまで各種の提案がされてきた標準理論のうちの一部はニュートリノの質量が 0 であることを前提としている。それらの理論は否定される。また、ニュートリノ振動は、各世代ごとに保存されるとされてきたレプトン数に関して大幅な再検討を促すことになる。

また電磁相互作用がなく―すなわち光学的に観測できず―、またビッグバン説は宇宙空間に大量のニュートリノが存在することを示すことなどから、暗黒物質の候補のひとつとされていたが、確認された質量はあまりに小さく、大きな寄与は否定された。

注釈[]

↑ その他にロスアラモス国立研究所によるLSND実験において通常の反応を示さない4世代目のニュートリノ（sterile neutrino）の証拠が得られているが、フェルミ国立研究所のMiniBooNE実験チームは2007年4月11日、現時点でその存在を示す証拠はないという否定的見解を発表した。

外部リンク[]

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[sterile-1] その他にロスアラモス国立研究所によるLSND実験において通常の反応を示さない4世代目のニュートリノ（sterile neutrino）の証拠が得られているが、フェルミ国立研究所のMiniBooNE実験チームは2007年4月11日、現時点でその存在を示す証拠はないという否定的見解を発表した。

[1]