ニュートリノ

 ニュートリノとは、私たちの身の回りのモノを構成する原子や分子を、これ以上小さくできないところまで細分化した、素粒子の一種です。

 現在、ニュートリノは「電子型」「ミュー型」「タウ型」の3種類あることが確認されており、宇宙の成り立ちを知るカギになると言われています。

 ニュ-トリノは、電荷を持たないレプトンであり、他の粒子との相互作用は、いわゆる弱い相互作用しかありません。従って、宇宙からやって来るニュ-トリノは地球をも貫いて行きます。

 ニュートリノは、弱い相互作用のみで現れるものである。たとえば、放射性同位元素がベ-タ崩壊する場合には、原子核の中の中性子が陽子と電子と電子ニュ-トリノに崩壊することで、電子ニュ-トリノが発生します。したがって、原子炉からは大量のニュ-トリノが発生していますし、水素などの核融合で輝いている太陽からも大量のニュ-トリノが地球にふってきています。また、パイ中間子は、短い寿命の後、ミュ-粒子に崩壊しますが、このとき、ミュ-ニュ-トリノを伴っています。

ニュートリノ振動

 もし、ニュ-トリノにわずかでも質量があるとすると、3つのニュ-トリノ間での転換が許されて、相互に移行する可能性があります。しかし、質量の違いが極めて小さいときは重なったまま非常に長い距離を飛ぶことができます。こうした場合にニュートリノ振動という現象を見ることができます。

 重なったまま飛んでいるときには、電子ニュ-トリノとミュ-ニュ-トリノの間で、転換が起こり、最初ミュ-ニュ-トリノだけであったニュ-トリノビ-ムが、ある時間が経過すると電子ニュ-トリノの成分が現れることになります。このような、異なるニュ-トリノ間での相互移行を振動と呼んでいます。この転換の周期は、2つのニュ-トリノの質量差によって決まるものです。2つのニュ-トリノに質量差があったとして、ミュ-ニュ-トリノが飛行時間とともに、減少し、電子ニュ-トリノに転換して行く割合を示しています。

 その大きな特徴は、他の物質とほとんど反応しないこと。私たちの体を毎秒100兆個以上すり抜けているにもかかわらず、観測するのが非常に難しく、幽霊粒子と呼ばれていました。また、素粒子の性質などを正確に表し、自然法則を説明する「標準理論」では、ニュートリノの質量はゼロだと考えられてきました。

 しかし、1998年、梶田氏ら研究グループのスーパーカミオカンデを用いた実験により、「ニュートリノ振動」が発見されたことから、標準理論は見直しを迫られることになります。

 

 スーパーカミオカンデは、ニュートリノを観測するための巨大な装置です。2002年にノーベル物理学賞を受賞した小柴昌俊氏の研究をサポートしたカミオカンデの後継機で、カミオカンデに比べて検出能力に優れています。地下1000メートルと、他の宇宙線の粒子が届きにくい、観測に適した場所に設置され、ニュートリノがごくまれに水分子にぶつかった時に発生する光によってニュートリノを観測します。

 「ニュートリノ振動」とは、ニュートリノがブルブル震えることではありません。梶田氏の

 実験では、大気と宇宙線との衝突によって生成される「大気ニュートリノ」に含まれるミュー型のニュートリノを観測しました。このうち、地上に近い方向から到達するミューニュートリノと、地球内部を通り、地球の裏側から到達したミューニュートリノの粒子数を比較した結果、地球の裏側からやってきたミューニュートリノの数が半分しかないことが分かりました。

 これは、「ニュートリノは場所によって数の増減はない」とする標準理論と矛盾しており、地球の内部を通る間に、ミュー型からタウ型に変わったことを意味しています。この型の変化を「ニュートリノ振動」と呼びます。

 ニュートリノの質量をゼロと仮定する標準理論では、粒子は光の速さで動くので、時間という概念はなくなり、ミュー型からタウ型に代わるなどの変化は起きません。つまり、今回の実験でニュートリノは質量を持つことが明らかになったということです。「ニュートリノ振動」の発見は、科学の常識を覆すものなのです。

 

 太陽のような水素を主な燃料として核燃焼をしている恒星は主系列星と呼ばれ、水素が燃えつきヘリウムやさらに重い元素が燃料になって核融合反応が進行している星は通常巨星として観測されます。核融合反応の際には、ニュートリノが放出されており、太陽ニュートリノはSuper-KAMIOKANDE 等の地下実験施設で実際に観測されています。また、太陽のように軽い星は、核燃焼が終わると白色矮星となり徐々に冷えていくと考えられています。たまたま太陽は単独で存在していますが、星の多くは連星系をなしていて、連星系の中で白色矮星が生まれると、相手の星からの質量降着によって新星やIa型の超新星爆発などの現象を起こすことも知られています。一方、重い星は最も安定な鉄を合成するところまで進化した後、コアが重力崩壊して超新星爆発を起します。この時、ニュートリノが放出され、超新星残骸の中心には中性子星あるいはブラックホールが形成されます。これらの中性子星やブラックホールは、パルサーやX線天体として観測されています。中性子星同志の連星系も存在し、このような系は重力波を放出しながら徐々に接近し最終的には衝突してしまいます。その際、強い重力波バーストが放出されるので、重力波観測の最初の観測対象として有望視されているものです。また、ガンマ線バーストの起源としても、遠方の銀河における中性子星やブラックホールの衝突などが候補としてあがっています。一方、星風によって星の内部で合成された元素が回りに拡散する他、超新星爆発の際には、星の進化の途中で合成された重元素が回りにまき散らされるとともに、爆発に伴う激しい元素合成も進行します。これらの元素と宇宙初期に合成された軽元素が太陽系や地球ひいては我々の体を構成しているのです。