宇宙で最も奇妙な粒子

Aug 28, 2023

ニュートリノは奇妙かつ遍在しており、物理の法則を単に破っている可能性があります

それらは小さく、ほとんど感知できませんが、現在、そのうちの 500 兆個があなたを通過しています。 ニュートリノは、自然界で最も豊富だが神秘的な創造物の 1 つです。 科学ライターのジェームス・リオードンは最近、ニュートリノについて既知のことと未知のことをリストアップしようとしましたが、2 番目のコラムが長くなったことに気づきました。 「私にとって最も興味深いのは、私たちが彼らについて驚くほどほとんど知らないということです」と彼は言います。 「これらは間違いなくここにあり、間違いなく神秘的です。エキサイティングな科学はこれらの質問に答えることにあります。」

新しい本『Ghost Particle: In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino』(MIT Press、2023) の中で、リオードンと彼の共著者である物理学者アラン・チョドスは、驚くべき粒子がどのようにして最初に提案され発見されたのか、そして科学者がどのように解明したかを文書化しています。遠く離れたところに加えて、最終的には理解したいと考えているすべてのことを含みます。 ニュートリノは、その多くの奇妙な点から、なぜ宇宙は反物質ではなく物質でできているのかという、私たちの最大の疑問のいくつかに答えるための有望な導管であるように思われます。 暗黒物質とは何ですか？ そして、光より速く伝わるものはあるのでしょうか？

サイエンティフィック・アメリカンはリオードンに、これらの奇妙な自然の一部がなぜそれほどクールなのか、そして彼自身の家族の歴史がニュートリノの物語にどのように当てはまるのかについて語った。

[編集されたインタビューの記録が以下に続きます。]

つまり、あなたは実際にニュートリノと個人的なつながりを持っています。 それは何ですか？

私はニュートリノの共同発見者の一人であるクライド・コーワン・ジュニアの孫ですが、彼は私が9歳のときに亡くなりました。 私の家族には彼についての神話が常にありましたが、彼が何をしたのかは実際には明らかではありませんでした。 大学で物理を学ぶまでは理解できませんでした。 サイエンスライターになって、これらの興味深いニュートリノの結果が出てくるのを見るようになるにつれて、私の興味はさらに深まりました。

MIT Press に本の出版について相談したところ、彼らは興味を持ってくれましたが、私と一緒に執筆してくれるその分野の専門家がいることを確認したいと考えていました。 私は、既成概念にとらわれずに考える理論家、アラン・チョドスのことを思い出しました。 彼はニュートリノについて、少し最先端の興味深い推測をいくつか書いています。

ニュートリノが提起する無数の疑問のうち、最も興味をそそられるものはどれですか?

私の一番好きな謎は、それ自体が反粒子であるかどうかを判断することです。 私にとって、それがニュートリノに関する最大かつ最も劇的な疑問だと思います。 それは宇宙の起源という本当に大きな問題に触れています。

ニュートリノがそれ自体の反粒子であることが判明すれば、なぜ宇宙が反物質ではなく大部分が物質でできているのかを理解できるようになるかもしれません。 宇宙が最初に始まったとき、物質と反物質の完璧なバランスがなければならなかったことが私たちは知っています。 宇宙の物質と反物質がすべて消滅したら、物質は何も残らないでしょう。 したがって、どこかで不均衡が生じるはずであり、ニュートリノはその不均衡の原因に関する手がかりとなる可能性がある。

あなたは、「ニュートリノを最初に想像した人の言葉を借りれば、ニュートリノのアイデア自体が恐ろしいものだった」と書いています。 ヴォルフガング・パウリは、特定の種類の粒子崩壊でエネルギーと運動量が不足しているように見える理由を説明するために、1930 年にニュートリノを提案しました。 なぜニュートリノ溶液はこれほどひどいものになったのでしょうか?

それはほとんど手品のようでした。 彼らは、何かが欠けているように見える核反応であるベータ崩壊の問題を抱えていました。 したがって、質問に答えるために座って「何が欠けているのでしょうか? 欠けているものをすべてかき集めて、新しい粒子にまとめましょう」と言うのは、「まあまあの話」のように感じます。斑点が? まあ、古代の神が彼に泥を投げつけたのでしょう。」 確かに、それは答えです。 しかし、それをチェックすることはできません。 これで問題は解決しますが、満足のいくものではありません。

パウリ氏は、彼や他の物理学者がニュートリノはまったく検出できないと考えていたため、答えを確認することはできないと考えていた。 しかし、現在では 3 つの異なるタイプが見られます。 そして、さらに増える可能性はあるのでしょうか？

ロスアラモス[ニューメキシコ国立研究所]では、実験の1つでニュートリノが多すぎることが判明しました。 1つの説明は、他のニュートリノやおそらくある種の暗黒物質とのみ相互作用する、さらに別のタイプのニュートリノが存在するというものでしょう。 それらは無菌ニュートリノと呼ばれます。 ニュートリノには多くの種類がある可能性があると信じる理由がありますが、それは単なる可能性です。

人々はこのロスアラモスの異常事態がなくなることを期待していました。 彼らは[イリノイ州フェルミ国立加速器研究所]の他のマシンでそれをテストしていました。 私はロスアラモスの人々と話したことを覚えています。彼らは最初に示唆的な無菌ニュートリノと思われるものを発見しましたが、彼らは皆、[追跡試験からは]無菌ニュートリノの兆候は全く存在しないと予想していました。 その代わりに、無菌ニュートリノの存在を示唆した最初の実験が裏付けられた。 それは、ほとんど誰もが単なる測定ミスだと思っていたことが、驚くべき形で確認されたのです。 問題は依然として明らかに存在しており、両方の側が影響を受ける何らかの系統的エラーがある、または問題がまだ解決されていないと考える理由は両方にあります。 それはすぐに答えられることを願っています。

もう一つの大きな謎は、ニュートリノの実際の重さです。 当初、それらは質量がないと予測されていましたが、現在では科学者たちはそれらがゼロではない質量を持っているに違いないことを知っています。 その質量が何であるかを理解する上で、私たちはどのような立場にあるのでしょうか?

アランと話すのが本当に楽しいことの 1 つは、KATRIN (ニュートリノの質量の測定を目的としたドイツの実験) ではニュートリノの質量が小さいとは言っていないということです。 それは、それらは正または負の質量の二乗のいずれかである可能性のある小さな質量を持っていると述べています。 つまり、実験のやり方によっては、「タキオニックニュートリノ」となる架空の質量を持っている可能性があるということだ。 これにより、考え方によっては、光の速度より速く移動したり、時間を逆行したりする可能性があります。

もちろん、KATRIN の人々はそんな可能性があるとは信じていないので、そのまま放り出します。 しかし、アランのような人々の心の中には、たとえ統計が台無しにならないようにするためにそれを含めているだけであっても、おそらく答えは実際には否定的になるかもしれないというわずかな希望がまだあります。

ニュートリノが光より速く移動できるとしたら、私たちはすでにそれを知っているのではないでしょうか?

確かに色々な問題はあるだろう。 私は（物理学者の）シェルドン・グラショーと話し、それについて尋ねました。 同氏は、ニュートリノが光より速く移動できれば、大規模な放射線の爆発が起こり、急速に減速するだろうと指摘した。 したがって、たとえ瞬間的に光速を超える速度で移動できたとしても、瞬時に光速を超えることはありません。 私はシェルドン・グラショーの答えを信じる傾向があります。 アランは理論家であり、彼らは奇妙なことを信じるのが好きなので、希望を抱いています。 それは誰も、たとえアランであっても、真剣に期待しているものではありません。

これだけの調査をしてこの本を書いた後、祖父に対するあなたの気持ちは変わりましたか?

そうなりました。 彼とフレッド・ラインズ（ニュートリノ発見実験の共同研究者）がやったことには、とてもユーモアがあることがわかりました。 彼らは、ちょっとしたジョークを壮大な科学実験の計画に組み込む大胆さを持っていました。

ニュートリノを探すという彼らの最初のアイデアは、ロスアラモスのマンハッタン計画中に行われている核兵器実験を利用するというものでしたよね?

最初の提案を見ると、それ自体が大胆でしたが、彼らは探知機をシャフトに設置し、約40メートル離れた核兵器が爆発すると同時にそれを投下する予定でした。 開発は信じられないほど複雑なシステムでした。 彼らはどこに坑道を掘るかを決める必要がありました。 そして彼らは、兵器が発射される予定の塔から47フィート離れた場所にそれを設置することを選択した。 彼らは、微細構造定数（電磁力の強さに関係する基本定数）が 1 ⁄ 137 であるため、これを選択しました。しかし、ロス アラモスの承認を得るために実験の説明に入れるには、それは少し軽薄すぎることを彼らは知っていました。そこで彼らは、同等のメートル法を見つけました。それはおよそ 40 メートルでした。 彼らはそれを内輪のジョークに変えました。

その後、サウスカロライナ州で実際にニュートリノを発見する実験を行ったとき、信号を変調できるかどうかを確認するために、このシールドをすべて設置し、シールドとともに 1 ポンドのホーミニー グリットを設置しました。 私は祖父をこの面白い男としてロマンスしており、それが具体化されたのだと思います。 彼らが行っていたこの非常に真剣な活動を通して、このユーモアのセンスとこの遊びのセンスがわかります。

クララ・モスコヴィッツ彼女は、Scientific American の上級編集者であり、宇宙と物理学を担当しています。 クレジット: ニック・ヒギンズ

編集者

リナ・ダイアン・キャバラル

アルコン・ファン、ローレンス・レッシグ、ザ・カンバセーションUS

クララ・モスコヴィッツ

フローラ・リヒトマン

ローレン・J・ヤング