ゴースト粒子ハンターは何も見つけられず

ここ数日は物理学者にとって厳しい日々だった。先週末、大型ハドロン衝突型加速器の科学者たちは、結局、期待していた新粒子は見つからなかったと発表した。そして、幽霊粒子の新たな種類を探していたニュートリノハンターたちも、何も見つからなかったと発表した。

問題の粒子はどちらも単なるアイデアだったが、もし発見されていれば、物理学が切実に必要としている新しい方向に進む助けになっただろう。しかし、一部の科学者が何か奇妙なものを見つけることを期待していたところで、彼らは何も発見しなかった。

今週初め、アイスキューブニュートリノ観測所の物理学者たちは、ステライルニュートリノの証拠を何も見つけられなかったと発表した。残念なことだが、まずはステライルニュートリノが何なのかについて話してみよう。

ニュートリノは電子やクォークのような素粒子の一種だが、とりわけ人間嫌いだ。ニュートリノは地球やあなたの中、あらゆるものを絶えず高速で通過し、他のあらゆるものとの相互作用はごくわずかで、あなたが気づくことはないだろう。今この瞬間にも、何兆個ものニュートリノがあなたの中を流れている。ニュートリノにはほとんど質量がないため、捕らえるのは難しいが、物理学者たちはそれでも試みる。なぜなら、ニュートリノは宇宙が存在する理由を理解する助けになるかもしれないからだ。どういうわけか、太古の昔、物質と反物質は不均等に分割され、物質過剰に陥った。それが私たち全員がここにいる理由だ。一部の理論家は、ニュートリノがこのことに関与している可能性があると考えている。

ニュートリノには、ミューオン、電子、タウの3種類があり、それぞれフレーバーと呼ばれています。しかし、ロスアラモス国立研究所や香港の大亜湾原子炉で行われた実験などから、4つ目のフレーバーが存在する可能性が示唆されました。この「ステライル ニュートリノ」は、重力による影響を除いて、いかなる物質とも相互作用しません。他のニュートリノが物質と相互作用する方法に影響します。したがって、もし存在するなら、暗黒物質に関するいくつかの疑問や、おそらく宇宙に関するその他の大きな疑問を解明するのに役立つでしょう。

「エルヴィスのように、人々はどこにでもステライルニュートリノの兆候を見出しています」とアイスキューブの主任研究員フランシス・ハルゼン氏は声明で述べた。「こうした兆候の集合体があり、理論家たちはそれが存在すると確信していました。」

結局、4 番目のニュートリノは存在しないようです。しかし、科学者はどうやってそれを知るのでしょうか? このステライル ニュートリノが何とも相互作用しないのであれば、どうやってそれを捕まえるのでしょうか?

アイスキューブは、南極の地下約1マイルの深さに埋もれた透明な南極の氷の中に凍結された5,160個の光検出センサーを使用してニュートリノを探します。センサーは、ニュートリノが原子核に衝突したときに発生する特徴的な青い光の閃光を探します。これはニュートリノ望遠鏡ですが、空を見ているわけではありません。その代わりに、地球をフィルターとして使用し、地球を通り抜けるニュートリノを地下で探査します。

ステライル ニュートリノを捕らえるには、ニュートリノのもう 1 つの奇妙な特徴を利用する必要があります。つまり、ニュートリノは宇宙を移動するとき、形を変え、フレーバーを交互に変えます (この振動は、宇宙における反物質と物質の非対称性に寄与する可能性のあるものの 1 つです)。仮説的には、ステライル ニュートリノが別のタイプに形を変える瞬間を捕らえることもできます。

科学者たちは1年分のデータを分析したが、この証拠は見つからなかった。これは実は、宇宙の最も小さな構成要素を理解するための枠組みである粒子と力の標準モデルにとっては朗報だ。これまで予測されたことはすべて現実のものとなり、最近ではLHCが発見するために作られたヒッグス粒子が発見された。そして標準モデルには4番目のニュートリノが入る余地はない。

しかし、標準モデルを破ることは、実は良いことだ。ステライルニュートリノが発見されれば、物理学者は、宇宙がなぜ無ではなく何かでできているのか、暗黒物質とは何かなど、私たちがまだ理解していないことを説明する新しいアイデアを考え出すことになるだろう。これらの新しいアイデアは、電磁力、弱い力、強い力を結びつける壮大な統一理論につながる可能性もある。

同じ理由で、ここ数週間、素粒子物理学者たちは、LHC が巨大粒子と思われるものを発見したというニュースに大騒ぎしていた。この発見は、これらのより大きな疑問にも答えてくれるだろう。その粒子も、捉えどころのないニュートリノも見つかっていないということは、まだ暗闇の中にいるということだ。