電子のわずか15万分の1の質量しかないこの謎の「透明人間」は、私たちの体に簡単に侵入することができます。

ニュートリノ：謎の「透明人間」

ニュートリノは、電荷を持たず、サイズが小さく、他の物質と非常に弱く相互作用する素粒子の一種です。彼らは宇宙では「透明人間」として知られています。

科学界がニュートリノの存在を予測してからそれを発見するまでに20年以上かかりました。一般の人々は、この不思議な粒子の「正体」を見たことはありませんが、実はそれは私たちの周りを常に存在しています。ニュートリノはどんな物質も簡単に透過し、太陽からのニュートリノ100兆個が毎秒人間の体を通過します。もちろん、彼らはとても小さかったので、私たちは無傷でした！

原子炉発電（核分裂）、太陽発光（核融合）、自然放射線、超新星爆発、宇宙線など、ほとんどの素粒子物理学および原子核物理学のプロセスは、ニュートリノの生成を伴います。

ニュートリノは他の物質と弱くしか相互作用しないため、検出は困難です。このため、ニュートリノはすべての素粒子の中で、最も最近発見され、最も理解が進んでいない粒子です。実際、原子炉発電（核分裂）、太陽発光（核融合）、自然放射線、超新星爆発、宇宙線など、ほとんどの素粒子物理学および原子核物理学のプロセスは、ニュートリノの生成を伴います。

宇宙を揺るがす小さな粒子

ニュートリノは他の物質と非常に弱い相互作用をするので、それを研究するのは無駄でしょうか?答えはノーです!例えば、ニュートリノの研究により、ニュートリノ天文学は非常に最先端かつ人気のある研究分野になりました。天文学者の手に渡った「秘密の武術書」、宇宙マイクロ波背景放射、これは実はビッグバンの残留熱です。宇宙に広がり始めたのはビッグバンから38万年後のことでした。つまり、宇宙マイクロ波背景放射を通じて、人類はビッグバンから38万年後の宇宙の歴史を知ることができるが、最初の38万年の歴史を知るすべはない。これはニュートリノを観測することによって達成できます。

ニュートリノの観測は、微視的時間の物理現象をより深く理解するのに役立つと同時に、天文学における星やブラックホールの関連モデルを改善し、宇宙の起源と進化に関するより多くの情報を把握するのに役立ちます。

ニュートリノには質量がありますか？

質量は、私たちが普段あまり注意を払わない物理的特性ですが、ニュートリノの最も難しい謎の一つです。ニュートリノには質量がありますか？

カナダのサドベリーニュートリノ観測所（画像提供：サドベリーニュートリノ観測所）

2012年、中国の著名な物理学者、王一芳博士率いる大亜湾ニュートリノ実験国際協力チームは、新しいニュートリノ振動を発見し、既知のニュートリノにはすべて質量があることを示すと発表しました。 2015年のノーベル物理学賞は、ニュートリノの質量の直接的な現れであるニュートリノ振動の発見により、日本の物理学者梶田隆章氏とカナダの物理学者アーサー・B・マクドナルド氏に授与されました。 2020年、科学者たちはニュートリノの質量は1.1電子ボルトを超えないことを発表しました。これは電子の質量の約15万分の1に相当します。

ニュートリノには3つの種類がある

では、ニュートリノの質量はどうやって測定するのでしょうか?これはかなり複雑な質問です!なぜ？

梶田隆章氏らのチームとアーサー・マクドナルド氏率いる研究チームが共同で行った実験により、ニュートリノ振動という新しい現象が発見され、長い間質量がないと考えられてきたニュートリノに質量があることが証明された。

3種類のニュートリノの模式図

そして、これら 3 種類のニュートリノ (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、3 種類のニュートリノ質量 (第 1、第 2、第 3 の質量固有状態) にも対応します。しかし、それらの間には 1 対 1 の対応はなく、むしろ一定の「混合」が存在します。たとえば、電子ニュートリノは、何らかの方法で、第 1、第 2、および第 3 の質量固有状態を「混合」します。

ニュートリノについては、科学者が解決しなければならない疑問がまだたくさん残っています。これらの「秘密」を解明すれば、物理学はさらに進歩するだろうと私は信じています。

担当編集/ガオ・リン

アートエディター/ 王 陳

著者: 陳思 (中国科学院大連化学物理研究所)

出典: Knowledge is Power Magazine