この幽霊のような粒子が、暗黒物質が我々から逃れ続ける理由なのかもしれない

毎秒、ニュートリノと呼ばれる 100 兆個の幻想的な小さな粒子が体内を通過します。そのほとんどが、まったく相互作用することなく皮膚を通り抜けます。ニュートリノは内気なため、物理学者にとってこれらの粒子を検出するのは特に困難です。

しかし、過去数十年にわたって、ニュートリノ物理学の世界は新たな課題に取り組んできました。

物理学者たちはロシアのコーカサス山脈の地下深くで行われた実験から、現在のニュートリノ理論の一部が的外れであるというさらなる証拠を発見した。この証拠は6月9日に2本の論文で発表された。もし彼らの主張が正しければ、これまで見たことのないタイプのニュートリノが明らかになる可能性があり、さらにレーダーに引っかからずに通り抜ける可能性があり、宇宙の大部分を占める暗黒物質がなぜ見えないのかを説明できるかもしれない。

「これは、少なくとも過去5年間では、ニュートリノ物理学における最も重要な成果の一つだと私は考えています」と、この実験には関わっていないテキサス大学アーリントン校のニュートリノ物理学者ベン・ジョーンズ氏は言う。

異常なニュートリノの事例

ニュートリノは、エーテル界の生物のように、周囲の物質とほとんど反応しません。電荷がゼロなので、電磁気の影響を受けません。また、原子核の中心にある粒子を結合させる強い核相互作用にも関与しません。

しかし、ニュートリノは弱い核力に役割を果たしており、現代の素粒子物理学の基礎を形成する理論的枠組みである標準モデルによれば、特定の種類の放射能の原因となっている。

地球上で観測されるニュートリノの大部分は、太陽の放射性過程から発生する。科学者は、それらを観測するために、海底や地球の地殻の奥深くに埋められたニュートリノ観測所に頼っている。ニュートリノ検出器が適切に機能しているかどうかを判断するのは容易ではないことが多いため、物理学者は、ニュートリノ放出がよくわかっているクロム51などの特定の同位体を近くに置いて、装置を較正することができる。

しかし、1990年代にニュートリノ物理学が勢いを増すにつれ、研究者たちは奇妙なことに気づいた。いくつかの実験で検出器を較正したところ、理論的な素粒子物理学で説明されるよりも少ないニュートリノが見つかり始めたのだ。

例えば、1997年にニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所で、米国とロシアの科学者が、夏の暖かい日には液体になる金属であるガリウムで満たされたタンクを設置した。ニュートリノがガリウムに衝突すると、元素の原子が粒子を吸収する。このプロセスにより、ガリウムはより固体の金属であるゲルマニウムに変化する。これは、放射性崩壊の逆過程の一種である。物理学者は、タンクを通過したニュートリノの数を追跡するために、そのゲルマニウムを測定した。

しかし、ロスアラモスのチームがクロム51を使ってシステムをテストしたところ、ガリウムが多すぎる、つまりニュートリノが少なすぎることが分かりました。この不足は「ガリウム異常」として知られるようになりました。

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それ以来、ガリウム異常を詳しく調べている専門家たちは、暫定的な説明を模索してきた。素粒子物理学者は、ニュートリノには電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノの3つの「フレーバー」があり、それぞれが量子の世界のダンスの中で異なる役割を果たしていることを認識している。特定の状況下では、ニュートリノがフレーバーを切り替えるのを観察できる。こうした変化は「ニュートリノ振動」と呼ばれる。

そこから、興味深い可能性が浮かび上がった。ガリウム異常でニュートリノが消失したのは、ニュートリノが別の隠れたフレーバー、つまり物理世界に対してさらに反応の少ないフレーバーに飛び込んでいたためだという可能性だ。物理学者たちは、このカテゴリーに「ステライル ニュートリノ」という名前をつけた。

ステライルニュートリノ説は単なるアイデアだったが、支持を得た。同じ頃、ロスアラモスやシカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所などの物理学者たちは、ニュートリノ振動を直接観測し始めた。観測してみると、各フレーバーのニュートリノの出現数が予想と実際の数に食い違いがあることがわかった。

「実験のいくつかが間違っているか、あるいは、もっと興味深く奇妙なことが起こっていて、それが異なる特徴を持っているかのどちらかだ」とジョーンズ氏は言う。

無菌の痕跡を探す

では、そのステライル ニュートリノはどのようなものなのでしょうか? 「ステライル」という名前と、物理学者が通常の経路でそれを検出していないという事実は、このクラスの粒子が弱い核力の影響も受けないことを示唆しています。そうなると、ニュートリノが環境と相互作用できる方法は、重力だけになります。

ニュートリノが存在する原子以下のスケールでは、その微々たる質量も相まって、重力は極めて弱い。ステライルニュートリノを検出するのは極めて難しいだろう。

この考えは21世紀に入っても変わらず、異常現象があまりにも不安定だったため、物理学者にはそれがステライルニュートリノであるかどうか判断できなかった。異常現象が見つかった実験もあれば、まったく見つからなかった実験もあった。実験を総合すると、状況証拠の壁画が描かれているようだった。「多くの人がそう考えていたと思います」とジョーンズ氏は言う。「私もそう考えていました」

そこで物理学者たちは、ロスアラモスのガリウム異常をテストするためにまったく新しい観測所を建設した。彼らはそれを「バクサン不活性遷移実験」、あるいは、誇らしげな物理学の伝統にならって「BEST」と名付けた。

この観測所は、ジョージア国から山を隔てたロシア領カバルダ・バルカル共和国のバクサン川の地下1マイル以上にあるトンネルの中にある。ロシアのウクライナ侵攻で地元の科学界が混乱に陥る前に、素粒子物理学者の国際チームがロスアラモスのガリウム実験を再現し、特に失われたニュートリノを探した。

BEST 実験は、予想より 20 ～ 25 パーセント少ないゲルマニウムを検出し、再び異常を発見した。「これは、以前の実験で確認した異常を確かに再確認するものです」と、ロスアラモス国立研究所の素粒子物理学者で BEST 実験の協力者であるスティーブ・エリオット氏は 6 月初旬の声明で述べた。「しかし、これが何を意味するのかは明らかではありません。」

満足のいく結果にもかかわらず、物理学者たちは先走ってはいない。BEST は 1 つの実験に過ぎず、ステライル ニュートリノに起因するとされてきたすべての矛盾を説明するものではない。(他の分析では、フェルミ国立加速器研究所の結果はステライル ニュートリノの兆候ではあり得ないと主張しているが、別の説明は示していない。)

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しかし、科学者が他のシナリオ、例えば南極の氷の下に埋められたニュートリノ実験装置アイスキューブや、不活性ニュートリノ探査のために特別に計画された他の検出器などで同様の証拠を発見した場合、それは何かがそこに存在するという真に説得力のある証拠となるだろう。

BEST の結果が当てはまり、他の実験によって確認されたとしても、それでもステライル ニュートリノが異常の原因であることを意味するわけではない。他の未発見の粒子が関係している可能性もあるし、この矛盾全体が、奇妙で未知のプロセスの痕跡である可能性もある。しかし、ステライル ニュートリノの考えが真実であれば、世界で最も小さな物体のいくつかを支える最大の理論に反することになる。

「それは標準モデルを超えた物理学の真の証拠となるだけでなく、真に新しく、まだ理解されていない物理学の証拠となるだろう」とジョーンズ氏は言う。

簡単に言えば、ステライル ニュートリノが存在する場合、その影響は素粒子物理学をはるかに超えるものとなる。ステライル ニュートリノは、宇宙の暗黒物質の多くを構成している可能性がある。暗黒物質は、私たちが見ることができる物質の 6 倍を占めているが、その構成はまだわかっていない。