ニュートリノとは

クイーンズ大学の物理学教授であり、サドベリー・ニュートリノ観測所のアクセル・L・ハリン氏は、次のように説明しています:

Image: ニュートリノが検出器の球形の容器の中の重水に当たると、円錐形の光(ここでははっきりと赤い色で見える)が装置の周りのセンサーに広がります。 今回検出されたニュートリノは、宇宙線が地球の大気に衝突したときに発生するミューニュートリノと思われます。

ニュートリノとは、電子に非常によく似た素粒子ですが、電荷を持たず、質量も非常に小さく、ゼロである可能性もあります。

ニュートリノとは、電子に非常によく似た素粒子ですが、電荷を持たず、質量もゼロに近い非常に小さい粒子です。 しかし、物質との相互作用がほとんどないため、検出するのは非常に困難です。 核力は、電子とニュートリノを同じように扱い、どちらも強い核力には参加しないが、弱い核力には同じように参加する。 このような性質を持つ粒子をレプトンと呼びます。 荷電レプトンには、電子(およびその反粒子である陽電子)のほかに、電子の200倍の質量を持つミューオン、電子の3500倍の質量を持つタウ、およびそれらの反粒子があります。

ミューオンとタウは、電子と同様にニュートリノを伴っており、これをミューオンニュートリノ、タウニュートリノと呼びます。 3つのニュートリノのタイプは区別されているように見えます。例えば、ミューオンニュートリノが標的と反応すると、必ずミューオンが生成され、タウや電子は決して生成されません。 粒子の反応では,電子と電子ニュートリノは生成・消滅しますが,電子と電子ニュートリノの数の和は保存されます。 この事実は、レプトンを3つのファミリーに分け、それぞれが荷電レプトンとそれに付随するニュートリノを持つことを意味します。

ニュートリノを検出するためには、非常に大きくて高感度の検出器が必要です。 典型的には、低エネルギーのニュートリノは、何かと反応する前に何光年もの通常の物質を通過します。 したがって,すべての地上ニュートリノ実験は,適度な大きさの検出器で反応するごく一部のニュートリノを測定することに依存しています。 例えば,Sudbury Neutrino Observatoryでは,1000トンの重水太陽ニュートリノ検出器が毎秒約1012個のニュートリノを拾います。 1日あたり約30個のニュートリノが検出されます。

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Image: SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY
FAINT EVIDENCE. 今回の太陽ニュートリノ事象では、検出器に設置された9,600個の光センサーのうち75個が光を観測した。 ニュートリノが重水に衝突してから光センサーまでの道のりを線で示している

パウリは1930年に初めてニュートリノの存在を仮定しました。 当時、ベータ崩壊ではエネルギーと角運動量の両方が保存されていないように思われ、問題が生じました。 しかしパウリは、相互作用しない中性粒子、つまりニュートリノを放出すれば、保存則を回復できると指摘した。 ニュートリノが初めて検出されたのは、1955年にクライド・コーワンとフレデリック・ライネスが原子炉から放出された反ニュートリノを記録してからである。 計算上では、太陽のエネルギーの約2%が、太陽での核融合反応で生成されたニュートリノによって運ばれています。 超新星も主にニュートリノ現象です。なぜなら、ニュートリノは崩壊する星で生成される非常に高密度の物質を貫通できる唯一の粒子であり、利用可能なエネルギーのごく一部だけが光に変換されるからです。 宇宙の暗黒物質の大部分は、始原的なビッグバン・ニュートリノで構成されている可能性があります。

ニュートリノ粒子と宇宙物理学に関連する分野は、豊かで、多様で、急速に発展しています。

ニュートリノ粒子と宇宙物理学に関連する分野は、豊かで多様性に富み、急速に発展しています。 とはいえ、現在、実験的にも理論的にも多くの努力が払われている問題には次のようなものがあります。 様々なニュートリノの質量はどのくらいか? それらはビッグバン宇宙論にどのような影響を与えるか? ニュートリノは振動するのか? あるいは,あるタイプのニュートリノは,物質や空間を通過する際に別のタイプに変わることがあるのか? ニュートリノはそれらの反粒子とは根本的に異なるのですか? 星はどのようにして崩壊し,超新星を形成するのでしょうか?

特に興味を持たれている長年の問題の1つに,いわゆる太陽ニュートリノの問題があります。 この名前は、過去30年間に行われたいくつかの地上実験で、太陽から放出されるエネルギーを生成するのに必要な数よりも少ない太陽ニュートリノが一貫して観測されているという事実に由来します。 一つの可能な解決策は、ニュートリノが振動することです。つまり、太陽で作られた電子ニュートリノは、地球に向かうにつれてミューニュートリノやタウニュートリノに変化します。 低エネルギーのミューオンニュートリノやタウニュートリノを測定するのは非常に難しいので、このような変換は、私たちが地球上で正しい数のニュートリノを観測していないことの説明になります。

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