とうとう捉えた、電子型ニュートリノ出現の兆候

図1 物理セミナーの様子

ニュートリノは、クォークや電子の100万分の１以下の重さしかもたない電気的に中性な素粒子です。他の物質と相互作用を起こすことが極めて稀なの で、その姿を捉えることは非常に難しく「幽霊粒子」とも呼ばれています。実際、太陽から放射されるニュートリノは、毎秒数百兆個も私達の体を通り抜けてい ます。

これまでの研究でニュートリノには、電子型ニュートリノ（ν_e）、ミュー型ニュートリノ（ν_μ）、タウ型ニュートリノ（ν_τ） の３種類（世代）があることがわかっています。これら３世代のニュートリノは、飛行しているうちに別のニュートリノへと変化します。これが「ニュートリノ 振動」と呼ばれる現象です。例えば、ミュー型ニュートリノが飛行するうちにタウ型ニュートリノに変化し、更に進むと、また元のミュー型ニュートリノに戻 る、といった現象が繰り返されるため「振動」と呼ばれています。

このニュートリノ振動は、ニュートリノに質量がある場合にのみ起きる現象です。1998年にスーパーカミオカンデで、宇宙から地球に降り注ぐ宇宙線 から生じるニュートリノ（大気ニュートリノ）を観測し、ニュートリノ振動が初めて確認され、ニュートリノが質量を持つことが判明しました。大気のニュート リノは人間がコントロールすることは困難です。そこで、この現象をさらに調べるために、加速器を用いて作った「人工のニュートリノ」を使用する実験が行わ れるようになりました。それが、今回の「T2K実験」と、その前に大きな成果を残した「K2K実験」です。

図２ T2K実験の概要

J-PARCで人工的に発生させたミュー型ニュートリノを295km離れたスーパーカミオカンデに向けて発射しています

T2K実験では、J-PARCとスーパーカミオカンデ両方でニュートリノを検出、ニュートリノの種類を調べ比較します。それぞれの検出器はミュー型 ニュートリノと電子型ニュートリノを検出することができます。J-PARCでつくるニュートリノビームはミュー型ニュートリノ。 J-PARC側と、スーパーカミオカンデ側の測定値を比較した結果、ミュー型ニュートリノが減っていたり、電子型ニュートリノが現れたりしていたならば、 ニュートリノ振動の「証拠」となるわけです。

T2K実験に先立ち行われたのが、茨城県つくば市のKEKの陽子加速器によって生成されたニュートリノを、250kmはなれたスーパーカミオカンデ に打ち込む、ニュートリノ振動実験「K2K実験」です。1999年6月の実験開始から2004年11月までに得られた全てのデータを解析した結果、ミュー 型ニュートリノから他のニュートリノへの振動が99.997%の確率で起こっている、ということが分かりました。

図３ J−PARCにある前置ニュートリノ検出器

スーパーカミオカンデに打ち込むビームを事前にモニターしています。ここには、オンアクシス検出器とオフアクシス検出器とよばれる２種類の検出器があり、ニュートリノビームの安定性やエネルギー分布などを調べています。

T2K実験は、打ち込むニュートリノビームの強度をK2K実験よりも100倍あげて、K2Kでは見つからなかった「ミュー型ニュートリノが電子型 ニュートリノへと振動する証拠」を発見することが目的です。この証拠をつかむことができれば、ミュー、タウ、電子の3世代のニュートリノ間で振動現象（混 合）が起きていることを明らかにできます。そして、この3種類のニュートリノの混合が確認できれば「消えた反物質の謎」に迫る可能性が生まれます。

物質の構成要素である素粒子は「クォ−ク」と「レプトン」に分類されており、ニュ−トリノはレプトンに属する粒子です。クォークもニュートリノと同じように3つの世代を持っています。これまでの実験で、クォークは3世代の混合が起きること、そして「CP対称性（物質と反物質の対称性）の破れ」があることが確認されています^※2。ニュートリノの世界でも、同じことが起きていることがわかれば、宇宙が誕生した時には物質と同じ量あったはずの「反物質」が、どうして見当たらないのか、という謎を解決する新たな手がかりが見つかる可能性があります。

図４ スーパーカミオカンデで捉えられるチェレンコフ光（シミュレーション）

左が、水とミュー型ニュートリノの反応により発生したミューオンによってできるチェレンコフ光のリング。右が水と電子型ニュートリノの反応により発生した電子によってできるチェレンコフ光のリング。電子は電子と陽電子をシャワー状に発生（電磁シャワー） させるため、ぼやけたリングになっています。

図５ 電子型ニュートリノの反応の候補

円筒形をしているスーパーカミオカンデを展開した図。水と電子型ニュートリノの反応によって発生した電子によるチェレンコフ光が捉えられています。

今回、2010年1月から2011年3月11日までのデータの分析で、スーパーカミオカンデで観測された88個の事象のうち、電子型ニュートリノの反応の 候補が6個見つかりました。これより、統計的な計算を行うと電子型ニュートリノが出現したとする確率は99.3％とされ、T2K実験は電子型ニュートリノ 出現の兆候をとらえたと言えます。しかし、99.3％という確率は一見高いように見えて、科学的に立証したと言うには不十分です。ですから、今後はもっと 多くのデータを取り解析を進めることで、この確率を100％に近づけ電子型ニュートリノ出現の確証を得ることが必要です。 　震災の影響によりJ-PARCの運転は停止されていますが、2011年中に復旧を完了し実験を再開できるように現在準備が進められています。