子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015 《子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015》 2015 年ノーベル物理学賞 ニュートリノが質量を持っていることを示す ニュートリノ振動の発見 2015 年ノーベル物理学賞は、ニュートリノ振動 私たちの身の回りにあるあらゆる物質、宇宙空 の観測に成功した東京大学梶田隆章博士、カナ 間にあるあらゆるものは原子が集合してできてい ダ・クイーンズ大学アーサー・マクドナルド博士 ます。原子は原子核と電子から、原子核は陽子と の二人に授与されました。ニュートリノの振動は 中性子からできています。このように細かく、さ ニュートリノに質量があることを示す証拠であり、 らに細かく内部を観察していくと、それ以上細か これまでニュートリノには質量が無いとして構築 く見ることのできない限界に達します。電子はそ されてきた素粒子物理学の標準理論に何らかの再 れ以上分解することができないので素粒子です。 考を求めるものです。今回の発見を考慮し理論を 陽子や中性子はさらに細かく分解することができ、 修正することによって、宇宙の成り立ちや、現在 陽子や中性子を構成しているパーツを素粒子とい の宇宙がどうしてこのような姿であるのか、宇宙 います。素粒子はそれ以上分解できない粒子の総 は将来どうなって終わるのかについてより理解が 称です。 深まることが期待されています。 今回の受賞研究の対象となったニュートリノも 素粒子の仲間です。ニュートリノには「電子ニュ ニュートリノとは？ ートリノ」「ミューニュートリノ」「タウニュート リノ」の 3 種類があります。光に波長の長い赤い ニュートリノとはそもそも何でしょうか？ 光や波長の短い青い光などエネルギーの異なるい ニュートリノが質量を持っていることを示すニュートリノ振動の発見 梶田隆章 1959 年山梨県出身 東京大学宇宙線研究所長 アーサー・マクドナルド 1943 年カナダ出身 カナダ・クイーンズ大学名誉教授 1 子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015 ろいろな光があるように、ニュートリノもエネル ることもできません。ニュートリノは、ほぼ光速 ギーの異なるさまざまなニュートリノがあります。 で私たちの身体を通り抜けて去って行きます。身 ニュートリノは見ることは難しいのですが、決 近に大量に存在するカリウムも一定の割合でカリ して珍しいものではなく、いろいろなところで生 ウムの同位体が崩壊し、カリウム由来のニュート み出され、私たちの周辺はニュートリノで満ちあ リノは毎秒 5000 個も私たちの身体を通り抜けて ふれています。古くは宇宙誕生直後のビッグバン います。 で大量にニュートリノが放出されました。星の最 ニュートリノには「電子ニュートリノ」 「ミュー 後の輝きである超新星爆発でもニュートリノが放 ニュートリノ」 「タウニュートリノ」の 3 種類があ 出されます。超新星爆発で放出されたニュートリ ると紹介しましたが、ニュートリノ振動とはこの ノの観測では、2002 年に日本の物理学者小柴昌俊 3 種の中で、あるタイプから別のタイプへ変化す 博士が史上初めて自然現象起源のニュートリノの る現象のことです。その変化はニュートリノが上 観測に成功したことに対してノーベル物理学賞が 下に揺れる波に乗っているように、あるいはブル 授与されています。 ブルと振動するように変化を繰り返すので「振動」 その他、太陽の中心部分の核融合によってもニ ュートリノは放出されますし、発電所の原子炉や と表現されています。つまりニュートリノはひっ きりなしにその姿を変えているのです。 地球の大気さえニュートリノを生み出します。た だし、どのような現象から放出されたかによって ニュートリノの持つエネルギーは異なります。大 気中で発生したニュートリノは大きなエネルギー を持っていますし、太陽から放出されるニュート リノはとても小さなエネルギーしか持たず、原子 炉から放出されるエネルギーはその中間程度です。 受賞内容の概略 梶田博士は日本のスーパーカミオカンデ検出器 で、宇宙線が地球と衝突して発生する大気ニュー トリノのニュートリノ振動を観測することに成功 しました。 一方、アーサー・マクドナルド博士が率いるカ 私たちは、ニュートリノの世界に住んでいると ナダの研究グループは、サドベリーニュートリノ いっても過言ではありません。1 秒間に数十億の 観測所（SNO）で太陽の核融合で生成した太陽ニ さらに千倍ものニュートリノが私たちの身体を通 ュートリノがニュートリノ振動することを観測し り抜けています。ですが、それを見ることも感じ ました。 2 子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015 この二つの研究チームの観測結果は物理学者を 何十年も悩ませていたニュートリノには質量があ るのか無いのかという問題に答えを出しました。 つまり、これまで質量が無いとされていたニュー トリノは小さながらもいくらかの質量があるとい う結論が出たのです。 素粒子物理学においてこれは歴史的発見です。 素粒子物理学には根本的な相互作用を説明する標 準理論があり、20 年以上にわたって美しい理論と して用いられてきましたが、その理論はニュート リノの質量がゼロでなければ成り立たないため、 今回のニュートリノ振動の観測は標準理論は完全 スーパーカミオカンデと比べることもできない な理論ではなく、何らかの修正が必要であること ほど小さな人間の身体でさえ、1 秒間に 10 兆個の を示しています。ニュートリノの観測は現在も世 ニュートリノが降り注いでいますので、50,000 ト 界中で続けられており、ニュートリノの謎が解明 ンの水に突入するニュートリノの数は天文学的数 されるにつれて、宇宙の歴史、構造、将来の運命 字さえ超えたものです。にもかかわらず、ほぼす についての現時点での私たちの理解を書き換える べてのニュートリノはタンクを素通りします。ま ことが予想されています。 れにニュートリノは水の原子核や電子と衝突しま す。衝突が起きると電気を持った粒子が誕生しま スーパーカミオカンデの観測 す。ミューニュートリノからはミューオンが、電 子ニュートリノからは電子が作り出されます。こ スーパーカミオカンデは宇宙から飛来するエネ うして誕生した荷電粒子の周辺では青色のかすか ルギー粒子のノイズを回避するために、地下深く な閃光が発せられます。この光は粒子が光の速度 に建設された巨大な観測施設です。1998 年、ここ よりも早く移動するときに放出されるチェレンコ での観測結果から梶田博士はニュートリノは別の フ光です。光の速度よりも早く移動すると言って タイプへの変化、つまりニュートリノ振動を起こ も、あらゆるものが真空中の光の速度よりも早く しているらしいという発見をしました。 移動することはできないとしたアインシュタイン スーパーカミオカンデは岐阜県神岡鉱山の地下 の相対性理論には矛盾しません。光は水の中では 1000 メートルに設置されており、50,000 トンの 速度が真空中の 75 パーセントにまで低下します 水で満たされた高さと幅が共に 40 メートルの巨 ので、荷電粒子によって追い越しをすることが可 大なタンクです。水中に出現する非常に微弱な光 能になります。チェレンコフ光はこの追い越しが を検出する 11,000 個以上の光検出器がタンクの 原因で発生し、チェレンコフ光を観測することに 上部、側面、底面に隙間無く設置されています。 よってどのようなタイプのニュートリノによって タンクの中の水は非常に純粋で、普通のプールで 生み出された光か、その粒子はどちらの方向から あれば光は数メートルで半分になってしまうのに 来たのかを明らかにすることができます。 比べて、光が水の中を 70 メートル移動しても半分 にならないほどです。 スーパーカミオカンデは上空の大気から飛び込 んでくるミューニュートリノと地球の反対側の大 気で生成し、地球を横断してスーパーカミオカン 3 子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015 デに飛び込んでくるミューニュートリノの量を比 ュートリノは移動の途中で別のタイプに変化し、 較しています。ニュートリノは地球をすり抜ける 量が減っていると結論づけられました。 ので両方向から来るニュートリノの数は等しいは ずです。ですが、実際には大気から直接降り注ぐ SNO の観測 ミューオンニュートリノの方が地球内部を通過し てくるミューオンニュートリノよりも多かったの です。 一方、スーパーカミオカンデとは地球の反対側 のカナダに太陽ニュートリノの観測を行うサドベ リーニュートリノ観測所（SNO）があり、こちら はオンタリオ州のニッケル鉱山の地下 2000 メー トルに 1,000 トンの水を満たした直径 12 メートル の球形のタンクが設置されています。タンクには 9500 個の光検出器が取り付けてあります。タンク の中の水は水分子中の水素原子が一般的な水素よ りも重い重水と呼ばれる特殊な水です。 この検出器は太陽からの電子ニュートリノの他 に、3 つのタイプ「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」の合計量を計測 する 2 通りの観測を同時に行うことができます。 太陽は電子ニュートリノだけを放出しますので、 このことは、大気中でミューニュートリノが生 成してからスーパーカミオカンデに到達するまで ニュートリノを検出する両方の方法で同じ数のニ ュートリノがカウントされるはずです。 に要する時間が地球を横切るかどうかで異なるた め、より長距離を移動した地球の裏側から来るニ コラム：パウリの行った恐ろしいこと ニュートリノの存在が 1945 年にノーベル物理学賞を受賞したオーストリアのヴォルフガング・パウ リによって提唱されたとき、この粒子はβ崩壊のエネルギー収支を説明するために必要な粒子として 登場しました。このときパウリはβ崩壊のエネルギーの一部は電気的に中性で他の物質との相互作用 は弱く非常に軽い粒子によって持ち出されるとしましたが、パウリ自身、このような粒子が実在する とは信じていませんでした。パウリは 「検出することが不可能で確かめることが不可能な粒子を仮定して理論のつじつまを合わせる恐ろし いことをしてしまった」 と語っています。 その後、ニュートリノが発見されるまでに四半世紀かかりました。1950 年代に稼働が始まった原子 力発電所から大量のニュートリノが放出され始め、1956 年 6 月に二人の米国の物理学者フレデリッ ク・ライネス（1995 年のノーベル賞受賞者）とクライド・コーワンは、ヴォルフガング・パウリに、 検出器がニュートリノの痕跡を記録したことを伝える電報を送りました。その発見は、それまで幽霊 のような粒子とされていたニュートリノが実際の粒子であることがわかったことを示していました。 4 子供たちに聞かせてあげたいノーベル賞 2015 ニュートリノには質量があることが確認されまし たので、標準理論は完璧な理論ではなく、どこか に修正すべき点があることが明らかになりました。 すでに世界中の素粒子物理学者が理論の修正に取 り組んでいます。 ただ、ニュートリノそのものについてもまだよ くわかっていないことがたくさんあります。たと えば、ニュートリノはなぜとても軽いのか、ニュ ートリノは本当に 3 種類だけなのか、なぜニュー トリノは他の素粒子とこれほどまでに性質が異な るのか、などです。そのような残されたニュート ところが、最初の 2 年間の観測の結果、太陽由 リノの謎も解明しつつ、より真実に近い素粒子物 来の電子ニュートリノは理論値の 3 分の１しか検 理学の理論を導き出すことによって、宇宙の歴史、 出できませんでした。つまり、3 分の 2 が消失し 宇宙の構造、宇宙の将来の運命などについて、よ てしまっていたのです。一方で、3 つのタイプの り正確な理解を得ることができるものと期待され ニュートリノの合計を計測する方法によると、そ ます。 の数は理論値に一致していました。つまり、ニュ ートリノの合計数は減っておらず、電子ニュート リノだけが減っていたことになり、これは太陽か ら観測装置に届くまでのどこかで別のタイプのニ ュートリノに変化してしまったためである、と結 《受賞者のプロファイル》 論づけられました。 梶田隆章 物理学者、天文学者 東京大学宇宙線研究所長 1959 年 埼玉県出身 1986 年 東京大学理学博士 アーサー・マクドナルド 物理学者 クイーンズ大学名誉教授 サドバリー・ニュートリノ観測研究所長 1943 年 カナダ出身 ニュートリノには質量がないとして構築された 標準理論は非常に成功しているモデルで、20 年以 上にわたって様々な実験結果をうまく説明するこ とができていました。ですが、今回の観測により 5
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