ゼロペディア

ZEROペディア File.3 2015年12月6日 放送
“ニュートリノ振動”

ZERO流解説

“ニュートリノ振動”

2015年、ノーベル物理学賞を受賞した東京大学の梶田隆明さん。受賞理由は『ニュートリノ振動の発見』だ。それまで、20世紀の金字塔と呼ばれる物理学の基本法則『標準理論(素粒子の振る舞いを統一的に説明できる理論)』の中ではニュートリノには質量がないことが大前提だった。ところが、梶田さんが実証した『ニュートリノ振動』はニュートリノに質量がないと説明出来ない現象。梶田さんは12年に渡る膨大な実験データの積み重ねでニュートリノ振動の証拠を掴み、標準理論の書き換えの必要性を示した。この大発見に繋がった『ニュートリノ振動』とは一体何なのか、『ニュートリノ振動と質量の関係』はどうなっているのか…ニュートリノの世界の不思議な現象とは?

知っ得情報①

ニュートリノは“幽霊粒子”?

木・水・ヒト…世の中のあらゆる物を構成する原子。その大きさは直径約1億分の1cm。その原子は陽子・中性子からなり、それをさらに細かく分けていくと、それ以上分けられない粒子に行き着く。それを『素粒子』と呼び、現在見つかっている素粒子は全部で17種類ある。ニュートリノはその素粒子の仲間で、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(図の上部)がある。

素粒子の中でニュートリノ特有の性質がある。それは、電気的に“中性”ということ。電荷を持たずプラスにもマイナスにも帯電しないため、他の物質と反応することはほとんどない。それはニュートリノの語源にも表されている。『neutral(中性的な)+ino(イタリア語で小さい)=neutrino』というように。ニュートリノは宇宙のどこを取っても1cm3に300個も含まれ、地球上では1秒間に約1兆個も体を貫通するほど膨大な数のニュートリノが降り注いでいる。それにも関わらず、観測は困難を極める。ニュートリノは電気的に中性な上、原子核の間さえ容易に通過できるほど小さなサイズであり、さらに光に近いスピードで飛んでいるため捕獲できないのだ。正体不明で測定も困難なことから、ニュートリノは“幽霊粒子”の異名を持つ。

貫通するニュートリノ

知っ得情報②

ニュートリノ観測装置“スーパーカミオカンデ”

ニュートリノを観測するための巨大装置が岐阜県飛騨市の山奥にある。それが1996年に完成した『スーパーカミオカンデ』。作られた地名『神岡町』が語源になっている。このスーパーカミオカンデが作られたのは、なんと地下1000m。ニュートリノ観測の邪魔になる他の宇宙線を遮断するために地底深くに設置された。

スーパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデは、直径39.3m、高さ41.4mの円筒形の巨大な水槽だ。小学校のプール約140個分にあたる5万トンの超純水(不純物ない水)を蓄えており、壁面には約1万1千個の超高感度の光センサー『光電子増倍管』が設置されている。ニュートリノは極めて小さいため、そのほとんどはスーパーカミオカンデを通り抜けてしまうが、ごく希に水分子の原子核とぶつかって、青白い微弱な光『チェレンコフ光』を発する。その光を捕らえ解析することで、ニュートリノの種類やどこから飛んできたかなどの情報を分析する。前身である『カミオカンデ(1983年完成)』の約20倍の測定性能を持ち、ニュートリノ振動の発見の決定的な証拠を掴む切り札となった。

チェレンコフ光

知っ得情報③

ニュートリノ振動って何?

梶田さんが実証した“ニュートリノ振動”とは何か? 簡潔に言えば“ニュートリノの変身”だ。ニュートリノは電子型、ミュー型、タウ型の3種類があるが、ニュートリノが宇宙空間を飛行していく最中に、種類を変えていく現象の事をニュートリノ振動と呼ぶ。3つの種類が別個に存在しているのではなく、1つのニュートリノが別の顔を次々に表す“3重人格”のようなイメージだ。まさにニュートリノが変身しているわけだが、その変身する様子も、切り替わるのではなく、じわじわと変化するイメージだ。この不思議な現象を説明したVTRがこちら!

ニュートリノ振動の説明

では、なぜそんな不思議な現象が起きるのか? それは量子力学の世界の不思議なルールに基づく。それは、ニュートリノの状態が、3つの波(波A・波B・波C)の重ね合わせで表されるということ。3つの波の重ね合わせによって生じた合成波の状態によって、電子型・ミュー型・タウ型が決まってくる。では、それがどんなイメージか、梶田さんの解説でご紹介!(※説明を簡易にするため2つの波で説明する)

梶田さん“合成波”の説明

この不思議な現象は身近なものを使って体感できる。それが音叉だ。いったいどういうことなのか? 梶田さんの実演つき解説でご紹介!

ニュートリノ振動を音叉で説明

知っ得情報④

ニュートリノ振動と質量の関係は?

梶田さんのノーベル物理賞の受賞理由を正確に訳すと『ニュートリノに質量があること示す、ニュートリノ振動を発見したこと』とある。つまり、質量があることが重要なポイントなのだ。ニュートリノ振動(=ニュートリノの変身)を証明したことがニュートリノに質量があることに繋がるのだが、いったいどういうことなのか? これを理解するにもニュートリノが波の性質を持っているという量子力学の基本法則が大前提でありカギとなる。こちらも梶田さんによる解説で紹介する。

ニュートリノの質量0の説明

制作者裏話

制作者裏話 ―ニュートリノ研究の意味―

ニュートリノに質量があることが発見されたことで私たちの生活は何か役に立つのか? 答えは“今は何も変わらない”だ。しかし、100年以上前にJ.J.トムソンが電子を発見した時、誰がこのエレクトロニクスだらけの世の中を予想しただろうか。つまり、ニュートリノに質量があることが大化けすることは十分にあり得るのだ。実際にニュートリノは地球を貫通するため“地球内部の診断”に用いられるのではという話もある。しかし、ニュートリノ研究はそれ以上に重要な意味合いがあるとされる。それは人類の究極の目標である“宇宙の謎の解明”である。宇宙がビッグバンで誕生した時、「物質」を構成する素粒子と、その逆の電荷を持つ「反物質」を構成する反粒子が同時に生まれたとされる。ところが、現在の宇宙は物質のみで構成され反物質はほとんどない。ニュートリノ研究が進み、その情報を読み解くことが進めば、人類永遠の謎である宇宙の始まりの様子を解き明かし、現在に至るまでの変遷を知ることが出来るかもしれない。その願いは、梶田さんがサインを頼まれた時に必ず書くある言葉に凝縮されている。“ニュートリノは極小の素粒子の世界と極大の宇宙を結ぶ掛け橋”。

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