地下実験は物質と反物質の謎を解く一歩を踏み出した

サウスダコタ州の古い金鉱の地下深くで行われた実験により、将来の検出器が物理学最大の謎の一つである「そもそも宇宙はなぜ存在するのか」を解明するのに役立つかもしれないという希望が科学者たちに与えられた。

言い換えれば、このパズルは、宇宙が物質によって支配されているという事実と関係しています。

これは自明の理のように思えるかもしれませんが、現在理解されている素粒子物理学の標準モデルでは予測されていません。現在の理論では、ビッグバンによって物質と反物質が同量生成され、それらは瞬時に消滅するはずだったと示唆されています。

科学者たちは、130億年以上前に起きたビッグバンによって物質が進化を遂げたのではないかと疑っています。そのメカニズムは今のところ特定されていませんが、有力な説の一つは、ニュートリノの性質が関係しているのではないかというものです。

問題は、ニュートリノが他の粒子と非常に弱い相互作用をするため、その作用を検出するのが難しいことです。サウスダコタ州にある深さ約1マイルのサンフォード地下研究施設で行われた実験は、検出器が背景放射線から十分に遮蔽され、科学者が探している効果を検出できるかどうかを調べることを目的としていました。

本日Physical Review Letters誌に掲載された論文で、国際研究チームはそれが可能であると報告しました。この発見は、謎を解明するために、より大型の検出器を建設する必要性をさらに強固なものにしています。

「物質が反物質を上回っていることは、科学における最も興味深い謎の一つです」と、テネシー州のオークリッジ国立研究所とノースカロライナ大学チャペルヒル校の物理学者ジョン・ウィルカーソン氏はニュースリリースで説明した。

「私たちの実験は、原子核における『ニュートリノなしの二重ベータ崩壊』と呼ばれる現象の観測を目指しています」と、6カ国からなるマヨラナ共同研究グループを率いるウィルカーソン氏は述べた。「この観測は、ニュートリノがそれ自身の反粒子であることを証明し、宇宙の理解に深遠な影響を与えるでしょう。」

米国エネルギー省と国立科学財団の米国核科学諮問委員会が作成した2015年の報告書では、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の検出が核物理学界の最優先事項として評価された。

この概念は、2つの中性子が典型的には2つの陽子に変換され、その過程で2つの電子と2つの反ニュートリノを放出する原子核崩壊のモードに関連しています。これは2ニュートリノ二重ベータ崩壊として知られています。

マヨラナ共同研究グループは、2つの電子、ニュートリノ、反ニュートリノの放出を伴う、異なる種類の崩壊モードを探索しています。ニュートリノとその反物質は瞬時に打ち消し合うため、ニュートリノを伴わない崩壊の特徴となります。

ニュートリノを伴わない崩壊の証拠が見つかれば、物質と反物質粒子のバランスに関しては標準モデルの法則が必ずしも適用されるわけではないことが実証されるだろう。

同共同研究チームの過冷却実験装置「マヨラナ・デモンストレーター」は、放射性ゲルマニウム76の結晶が原子核崩壊を起こしてセレン76に変化する際に放出されるエネルギーを観測した。（マヨラナとは、1930年代にニュートリノを伴わない崩壊の理論を提唱したイタリアの物理学者エットーレ・マヨラナのこと。）

「私たちの実験でニュートリノが検出されるというのはよくある誤解です」と、共同研究の共同スポークスマンであるワシントン大学の物理学者ジェイソン・デトワイラー氏は述べた。「こんなことを言うのは滑稽かもしれませんが、私たちは ニュートリノの不在を探しているの です。ニュートリノなしの崩壊では、放出されるエネルギーは常に特定の値です。ニュートリノが2つの場合、放出されるエネルギーは変化しますが、ニュートリノなしの二重ベータ崩壊よりも常に小さくなります。」

2015年6月から2017年3月にかけて、研究者たちは2ニュートリノ崩壊のエネルギープロファイルを持つ多くの事象を観測しました。ニュートリノを放出しない崩壊のプロファイルを持つ事象は観測されませんでしたが、それは驚くべきことではありませんでした。研究者たちは当初から、この規則を破る効果は極めて稀で、少なくとも2ニュートリノ崩壊の10万倍は稀であると想定していました。

結局のところ、この謎はまだ解明されていないが、より大きな検出器を建設できれば、研究者たちはニュートリノなしの崩壊の兆候を捉えることができるはずだ。LEGEND（ニュートリノなしの二重ベータ崩壊のための大型濃縮ゲルマニウム実験）と呼ばれるそのような検出器は、現在計画段階にある。

「ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊を観測できれば、宇宙における物質の優位性を理解する上で大きな前進となるでしょう」とデトワイラー氏は述べた。「これは理論物理学における最も興味深い問いの一つであり、私たちはどこから来たのか、なぜ存在するのかといった根本的な問いにも影響を与えます。」

Physical Review Letters誌に掲載されたこの研究は、「マヨラナ実証装置を用いた⁷⁶ Geにおけるニュートリノレス二重ベータ崩壊の探索」と題されています。デトワイラー氏に加え、ワシントン大学の共著者には、セバスチャン・アルヴィス氏、ミカ・バック氏、クララ・クエスタ氏、ピーター・ドー氏、JA・ダンモア氏、Z・フー氏、ジュリエタ・グルスコ氏、イアン・ギン氏、RA・ジョンソン氏、A・クネヒト氏、J・レオン氏、MG・マリノ氏、マイケル・ミラー氏、ウォルター・ペタス氏、ハミッシュ・ロバートソン氏、ニコラス・ルオフ氏、AG・シューベルト氏が含まれています。

マヨラナ共同研究にはパシフィック・ノースウエスト国立研究所の研究者も参加しています。CE Aalseth が主著者であり、PNNL 所属の他の共著者には、E. Aguayo、IJ Arnquist、RL Brodzinski、JE Fast、E. Fuller、EW Hoppe、TW Hossbach、JD Kephart、RT Kouzes、BD LaFerriere、JH Merriman、HS Miley、JL Orrell、NR Overman、JH Reeves が含まれます。

ニュートリノなしの崩壊を検出するための探求とその影響の詳細については、APS Physics の Web サイトの「ニュートリノなしの探求」をご覧ください。