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『ニュートリノで探る宇宙と素粒子』(梶田隆章) [読書(サイエンス)]


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太陽の核融合のようすはニュートリノを使って観測すればよいという考えで始まった太陽ニュートリノ実験が、太陽ニュートリノ欠損を発見し、また陽子崩壊を探すためのバックグラウンドであったはずの大気ニュートリノは、μニュートリノ反応の数が予想とまったく合わないことを発見しました。
 これらの二つの予想されなかった実験データを地道に理解しようとして、最終的にニュートリノ振動が発見されました。ニュートリノ振動は理論的には予言されていた現象でしたが、発見されてみると、ニュートリノ混合が大きいということを知り、私たちに新たな問題をつきつけています。
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単行本p.239


 スーパーカミオカンデは具体的に何をどう観測することで、ニュートリノ振動を確認したのか。ノーベル物理学賞を受賞した著者が、ニュートリノ天文学について実験と観測を中心に解説してくれる一冊。単行本(平凡社)出版は2015年11月、Kindle版配信は2015年12月です。

 スーパーカミオカンデによる大気ニュートリノ観測によって、ニュートリノ振動が実際に起きていることを確認した功績により2015年のノーベル物理学賞を受賞した著者。しかし、その受賞のもとになった観測がどのようなものだったのかは、例えばカミオカンデによる「超新星爆発の際に放射されたニュートリノを検知した」というのに比べると、いまひとつ分かりにくい印象があります。

 そこで本人がニュートリノ振動の確認に至る研究内容を、理論中心ではなく実験と観測に軸を置いて解説してくれるのが本書です。素粒子論の基礎から、反ニュートリノ振動まで、全体は11個の章から構成されています。


「第1章 ミクロの世界に分け入る」
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 量子という考え方は光の研究から生まれた、と書きました。それが原子の構造を理解するために再登場し、そしてこのとき以来今日に至るまで、量子力学は物理学の基礎になる理論です。
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単行本p.33

 まずは量子力学の基礎をおさらいします。


「第2章 素粒子の三つの世代」
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素粒子の種類が増えるにつれて科学者たちは、もっと根本的な物質の構成要素があるのではないかと考えるようになりました。一方、これらの素粒子をいくつかの性質に基づいて分類し、基本粒子を見極めようとする試みが、いくつも提案されました。このような試行錯誤が、今日の素粒子世界の理解につながっているのです。
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単行本p.44

 素粒子論の基礎を見てゆきます。ここでようやく本書の主役となるニュートリノが登場し、ニュートリノといっても複数の種類があることが示されます。ニュートリノ振動という現象を理解するための最初のポイントです。


「第3章 宇宙線とニュートリノ」
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 陽子崩壊を探すカミオカンデにとって、ニュートリノは邪魔者でしかありませんでした。どんなに測定器を地下深く設置しても避けられないバックグラウンドが、大気ニュートリノ反応なのです。
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単行本p.79

 宇宙線による大気中でのニュートリノ生成、すなわち大気ニュートリノについて解説すると共に、大統一理論検証のための陽子崩壊を観測するために作られたカミオカンデにとって、それは除去すべきノイズに過ぎなかったことが示されます。これまで理論中心に語ってきた内容が、ここからは実験観測が中心となります。


「第4章 太陽でつくられるニュートリノ」
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 カミオカンデはもともと、「大統一理論」で予言された陽子の崩壊を探すために、東京大学の小柴昌俊教授(当時)の発案のもと、岐阜県神岡町(現飛騨市神岡町)の鉱山の地下に設計・建設された実験装置でした。直径約16メートル、高さ16メートルの鉄製の水槽に、純水3000トンを蓄えた装置です。私も大学院学生としてこの装置の建設に参加し、研究者としてまたとない貴重な経験をしました。
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単行本p.93

 太陽から放射されているニュートリノ、太陽ニュートリノの観測をめざし大規模な改造を加えられたカミオカンデ。太陽ニュートリノの観測値が理論値に比べて大幅に少ないという「太陽ニュートリノ問題」への挑戦。大学院生としてカミオカンデ建設に関わった思い出を活き活きと語ります。


「第5章 超新星爆発とニュートリノ」
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 情報はすぐに神岡に伝えられ、データを東京に送って解析をすることになりました。当時は神岡には研究施設がなく、解析はすべて東京にあるコンピュータで行っていたのです。いまなら、たとえコンピュータが東京にあっても、ネットワークでデータを転送するのでしょうが、当時は磁気テープにデータを書き込み(といっても若い人は、磁気テープを知らないでしょう。いまのハードディスクやDVDに相当するものです)、それを宅配便で送りました。
 当時、フレデリック・ライネスを中心とした米国のIMBという陽子崩壊実験も、1982年から観測をしていました。もし宅配便で送ったために、競争相手に遅れをとるようなことになったら、とりかえしのつかないことでした。
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単行本p.115

 1987年2月。超新星1987Aの爆発により放射されたニュートリノをカミオカンデがとらえたかも知れない。すぐに観測データを磁気テープに書き込み、宅配便で東京へ。一週間で論文を書き上げ、郵便で投稿。しかし後から誤りに気づいて郵便を差し止め、修正して出し直し。ライバルとの、今からは想像が難しいようなじりじりした競争の様子が淡々と、しかし臨場感たっぷりに語られます。


「第6章 ニュートリノ質量の発見」
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 カミオカンデの場合、約10年観測をつづけたとはいうものの、観測されたニュートリノのデータは、地球の反対側から飛んでくるニュートリノが減っているという予想と矛盾はなかったのですが、たまたま観測されたニュートリノの数が少なかっただけかもしれないという、1%くらいの可能性を排除できなかったのです。
 たった1%であれば、もうニュートリノ振動が発見されたと言ってよいのではないか、と思われる方も多いと思います。しかし、新たな自然法則の証拠を探すような研究分野では、この程度の信頼性で安心して、その先のことを考えるのは危険だということを、研究者はよく知っています。
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単行本p.140

 ニュートリノ振動、ニュートリノに質量があることの証拠。それを確実に証明するためにはカミオカンデでは小さすぎるという課題。いよいよ動き出す太陽ニュートリノ天文台たるスーパーカミオカンデ。スーパーカミオカンデ建造から大気ニュートリノ振動の観測に至る経緯を語ります。本書の中核となるパートです。


「第7章 宇宙線生成の謎に迫る」
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 南極の氷を測定器に使う方法は、1990年代に試験的な実験がなされ、実験技術として大丈夫との結果を得た後に、2004年から本格的な建設が始まり、2011年に完成しました。
 実験装置は南極点の近くの深さ約3キロメートルにもなる氷河に、直径60センチメートル、深さ2450メートルの穴を86本開け、深さ1450メートルの地点にまで数珠つなぎにした球形の検出器(光電子増倍管)を埋め込み、その後またその穴を凍らせる、という手順で建設していきます。六角形の装置の大きさは全体で約1立方キロメートルになり、「アイス・キューブ」と名づけられました。
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単行本p.173

 高エネルギー宇宙ニュートリノの観測により、宇宙線の起源が探れるかも知れない。そのために「南極の氷そのものを巨大な検出器として使う」という大胆なアイデアが、アイス・キューブ実験として実現されます。アイス・キューブがとらえた高エネルギー宇宙ニュートリノ。「いままさに、高エネルギー宇宙ニュートリノ天文学が始まろうとしています」(単行本p.178)。


「第8章 太陽ニュートリノ問題の解決」
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 2002年に発表されたSNO実験の太陽ニュートリノの観測結果は、予想どおりとなりました。全ニュートリノ数の合計は理論の予想どおりでしたが、電子ニュートリノの数は理論の約3分の1でした。これまでの他の太陽ニュートリノ観測実験は、大ざっぱに言えば、電子ニュートリノだけに感度がある実験でした。したがって太陽ニュートリノが減っていることは分かっても、その原因は突き止められませんでした。この実験ではじめて、太陽ニュートリノ問題はニュートリノ振動の効果によって起こっていることが実証されたのです。
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単行本p.191

 スーパーカミオカンデによる太陽ニュートリノ観測、カナダのSNO実験、そしてカムランドによる反電子ニュートリノ測定。これら三つの精密実験により、ついに太陽ニュートリノ問題が解決に至った経緯が語られます。第6章と並んで本書の白眉となるパート。


「第9章 地球ニュートリノの観測」
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 イタリアのBorexino実験でも、地球ニュートリノが観測されました。これら二つの実験のデータから、ウランやトリウムの崩壊によって発生する熱は、地球全体で20兆ワットであることが分かりました。これはおおよそ、現在の地球の放射する熱の半分です。
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単行本p.210

 地球内部を高温に保ち続けている、放射性物質から発生する放射熱。ベータ崩壊の際に生まれる地球ニュートリノの観測により、その総量を測定する試みについて解説します。


「第10章 ニュートリノと素粒子と宇宙」
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このような背景があるため、ニュートリノの質量の発見は大きな興奮をもって受けとめられたのです。ニュートリノの質量と、それに関連する物理量(たとえば混合角など)は、私たちに大統一理論の世界の情報を運んできているのかもしれません。
 予想されていなかったニュートリノ間の大きな混合角は、きっとより深く大統一理論の世界を理解するための、何かのヒントになっているのでしょう。
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単行本p.216

 ついに明らかになったニュートリノ質量。しかしその値は意外なものだった。なぜそうなのか。その背後には、大統一理論の対象となる超高エネルギー世界の自然法則が隠されているのかも知れない。ビッグバン直後の宇宙に関する情報が得られると期待されるニュートリノ物理量についての研究を紹介します。


「第11章 これからのニュートリノ研究」
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その先の実験をどうすべきか、世界中で活発に議論されています。いまの議論の一つの中心は、ニュートリノ振動を非常に精密に測定して、ニュートリノのニュートリノ振動と反ニュートリノのニュートリノ振動にわずかなちがいがあるかどうかを確認しようというものです。
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単行本p.231

 ニュートリノを放出しない2重ベータ崩壊の観測。ニュートリノと反ニュートリノで振動に相違があるか、つまり対象性が破れているかの検証。そして「ハイパーカミオカンデ」構想。ニュートリノ研究における最先端の課題と展望を解説します。



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