異種ニュートリノの相互変換 08.10.2015

ニュートリノと物質との非常に弱い相互作用はよく知られています。 それらは、単一の原子を乱すことなく、地球または太陽を通過できます。 さらに、この方法で何十億もの星を通過できます。 一方で、これはそれらの特性を登録して測定することを困難にし、他方では、宇宙の進化と星の内部で発生するプロセスに関する最も重要な情報源になります. 科学者はまた、ニュートリノが宇宙の物質と反物質の非対称性を説明する上で重要な役割を果たすことができると信じています。これは、ビッグバンの後、物質と反物質の完全な相互消滅がなく、物質の一部がまだ生き残ったという事実にあります。そして私たちの宇宙を形成しました。

ニュートリノの問題の 60 つは、その質量の問題です。 長い間、ニュートリノには質量がないと考えられていました。 これは、標準モデルの元のバージョンでそれらがどのように考慮されたかです。 この問題の解決は、素粒子の物理を理解する上で重要なだけではありません。 ニュートリノは、宇宙で発生する核反応によって生成され、光子に次ぐ最も一般的な粒子です。 その数は膨大です。 毎秒 XNUMX 億個以上のニュートリノが XNUMX 平方センチメートルを通過します。 したがって、ニュートリノ自体の質量が非常に小さい場合でも、すべてのニュートリノの総質量は非常に大きくなり、宇宙の進化に影響を与える可能性があります. 現代の推定によると、すべてのニュートリノの質量は、宇宙で目に見えるすべての星の質量とほぼ同じです。

太陽から地球にやってくる電子ニュートリノの数を決定する際に、別の問題が生じました。 1970 年代以降、実験では理論によって予測された数の 1957 分の 1990 しか登録されていません。 これは、電子ニュートリノの数の不足と呼ばれていました。 この現象を説明するために、いわゆるニュートリノ振動（振動）の仮説が勝利したXNUMXダースの仮説が提唱されました。 太陽から飛来する途中の電子ニュートリノが、実験では記録されていない別の種類のニュートリノに変化したと考えられていました。 興味深いことに、素粒子振動のアイデアは、XNUMX 年にソ連の学者ブルーノ・ポンテコルボによって発表されました。 ニュートリノ振動は、XNUMX 年代後半に真剣に議論されました。

現在、XNUMX 種類のニュートリノが知られており、それぞれが常に対応するレプトン (電子、ミューオン、またはタウ レプトン) と一緒に生まれ、それらの名前が付けられています。 ニュートリノ振動の仮説によれば、ニュートリノが互いに変換するプロセスは、時間と空間で周期的に発生します。 そのため、最初は電子ニュートリノのみで構成されていたビームが伝播するにつれて、ミューニュートリノとタウニュートリノの混合物が現れ、同時に電子ニュートリノの割合が減少します。

不思議なことに、この問題の解決策は、ニュートリノ質量の問題に関連していることが判明しました。 事実、ニュートリノ振動は、質量がある場合にのみ可能です。

この理由は、現代の概念によれば、電子、ミューニュートリノ、およびタウ ニュートリノは、質量の異なる XNUMX つの状態の量子混合物であり、それぞれがその分担して入るからです。 電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノは、それぞれ独自の周波数と振幅で振動する XNUMX つの波で構成されていると言えます。 したがって、最初の瞬間にこれらの波の合計が電子ニュートリノのように見えた場合、しばらくするとこれらの波が加算され、ミューニュートリノとタウニュートリノの混合物が現れるようになります。電子ニュートリノの数の不足。

そのため、物理学者はニュートリノに質量があると長い間信じてきましたが、まだ直接測定されていません。 標準モデルの式の対応するわずかな変更も行われましたが、それはその本質に違反していませんでした。 しかし、これの実験的証拠は、2015 世紀と XNUMX 世紀の変わり目に得られました。 XNUMX 年のノーベル賞受賞者である日本人の梶田隆章とカナダのアーサー マクドナルドは、ニュートリノ振動を調査した XNUMX つの主要な研究グループの重要人物でした。

1998年、スーパーカミオカンデ実験で得られた宇宙線と大気ガスの原子核との相互作用から生じる大気ニュートリノの振動に関する日本の科学者の結果が発表されました。 ニュートリノが検出器タンク内の水分子と衝突すると、高速の荷電粒子が生まれます。 それは、光センサーによって測定されるチェレンコフ放射を生成します。 その形と強さから、ニュートリノの種類とどこから来たのかがわかります。 上空から飛来したミュー型ニュートリノは、地球を横断する長い道のりを移動したものよりも数が多かった。 これは、XNUMX番目の場合のミューニュートリノが別のタイプのニュートリノに変化したことを示しています。

2001 年、太陽ニュートリノ振動がサドベリー ニュートリノ天文台 (SNO - サドベリー ニュートリノ天文台) で証明されました。 そこでは、検出器タンク内のニュートリノと重水との反応により、電子ニュートリノとXNUMX種類のニュートリノすべての数を一緒に測定することが可能になりました。 電子ニュートリノの数は予想よりも少ないことがわかりましたが、XNUMX 種類のニュートリノすべてを合わせた総数は予想と一致していました。 このことから、電子ニュートリノの一部が別の種類のニュートリノに変化したことがわかりました。