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ニュートリノ （英 :neutrino [ 注釈 1] 素粒子 のうちの中性レプトン の名称。中性微子 (ちゅうせいびし)とも書く[ 1] 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3種類もしくはそれぞれの反粒子をあわせた6種類あると考えられている。
ヴォルフガング・パウリ が中性子 のβ崩壊 でエネルギー保存則 と角運動量保存則 が成り立つように、その存在仮説 を提唱した。「ニュートリノ」の名はニュートラルから来ておりβ崩壊の研究を進めたエンリコ・フェルミ が名づけた。フレデリック・ライネス らの実験により、その存在が証明された。
ニュートリノは電荷 を持たず、1 2 ℏ {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\hbar \end{matrix}}} スピン を持つ。質量 は当初ゼロとされていたが後にゼロ以上の極めて小さい値を取るものとあらためられ、現在は世代ごとの予測質量の上限値が示されている。
標準模型 によれば、ニュートリノには電子ニュートリノ (ν e {\displaystyle \nu _{e}} ν μ {\displaystyle \nu _{\mu }} ν τ {\displaystyle \nu _{\tau }} 反粒子 が存在する。これらは電子 、ミュー粒子 、タウ粒子 と対をなしている。
標準模型のニュートリノは強い相互作用 と電磁相互作用 がなく、弱い相互作用 と重力相互作用 でしか反応しない。ただ、質量が非常に小さいため、重力相互作用もほとんど反応せず、このため他の素粒子との反応がわずかで、透過性が非常に高い。
そのため、原子核 や電子 との衝突を利用した観測が難しく、ごく稀にしかない反応を捉えるために高感度のセンサや大質量の反応材料で構成されるニュートリノ検出器 を用意する必要があり、他の粒子 に比べ研究の進みは遅かった。
4世代目以降のニュートリノとして重力相互作用しかしないステライルニュートリノ を仮定する理論もあるが、その存在はまだ実験的に確認されてはいない。
電荷を持たない粒子であるため、中性のパイ中間子 のようにそれ自身が反粒子である可能性がある。ニュートリノの反粒子がニュートリノ自身と異なる粒子であるか否かは現在でも未解決の問題である。
米国アルゴンヌ国立研究所に設置されたZero Gradient Synchrotronの水素泡箱で観測された（水素泡箱による観測としては）史上初のニュートリノ（1970年 11月13日 ）。ニュートリノは電荷を持たず泡箱に軌跡を残さない。写真右手中央の黒い影の右側で3つの軌跡が突然始まっている。この位置でニュートリノが陽子に衝突した。同時に生成したミュー粒子 は非常に見分けにくいが、ほぼ直線状に軌跡を残している。短い軌跡は陽子。 アルファ崩壊 の場合、アルファ粒子 （アルファ線）と新しく出来た原子核の質量との合計は、崩壊前の原子核の質量よりも小さくなる。これは、放出されたアルファ粒子の運動エネルギーが、崩壊前の原子核の質量から得られているためである。
ベータ崩壊 の場合は、崩壊後の運動エネルギーの増加が質量の減少より小さかった。そのため一部のエネルギーが消えてしまったように見え、研究者の間で混乱が生じた。ニールス・ボーア は放射性崩壊現象ではエネルギー保存の法則 が破れると主張した。
一方、ヴォルフガング・パウリ は、エネルギー保存の法則 が成り立つようにと、β崩壊においては(観測に現れない)電荷を持たない中性粒子がエネルギーを持ち去っているという仮説を1930年 末に公表した[ 注釈 2] 1932年 に中性子 が発見されたのをきっかけに、エンリコ・フェルミ はベータ崩壊のプロセスを「ベータ崩壊は原子核内の中性子が崩壊して陽子 と電子が放出され、さらに（未知の）中性の粒子も放出される」との仮説 を発表した。その未知の粒子であるニュートリノは電気的に中性で、その質量は非常に小さいかあるいはゼロと考えられた。そのため他の物質とほとんど相互作用しないため、その実験による検出には困難を極めた。
ギュラ・チカイ （ハンガリー語版 ） 6 H e → 6 L i + e − + ν ¯ e + 3.6 M e V {\displaystyle ^{6}\mathrm {He} \rightarrow ^{6}\mathrm {Li} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+3.6\,\mathrm {MeV} } [ 2] [ 3] [ 4]
1953年 から1959年 にかけて行われたフレデリック・ライネス とクライド・カワン の実験により、初めてニュートリノが観測された。この実験では、原子炉から生じたニュートリノビームを水に当て、水分子中の原子核とニュートリノが反応することにより生じる中性子 と陽電子 を観測することで、ニュートリノの存在を証明した。
1962年 、レオン・レーダーマン 、メルヴィン・シュワーツ 、ジャック・シュタインバーガー らによって「電子ニュートリノ」ν e {\displaystyle \nu _{e}} ν μ {\displaystyle \nu _{\mu }} GeV の高エネルギー陽子ビームを使ってパイ中間子 (π {\displaystyle \pi } ミュー粒子 (μ {\displaystyle \mu } ν μ {\displaystyle \nu _{\mu }} 弱い相互作用 によりミュー粒子を生じたが、電子が生成されなかったという結果による。
ニュートリノ振動は1957年にブルーノ・ポンテコルボ により提唱された。この理論は、k中間子振動 （英語版 ） 坂田昌一 ・牧二郎 ・中川昌美 はニュートリノには質量があり、電子・ミュー・タウの3種類の型の間で互いに変化するというニュートリノ振動の現象を予測した。この定式化に用いられた行列はポンテコルボ・牧・中川・坂田行列 と呼ばれている。
1998年 6月に梶田隆章 らによるスーパーカミオカンデ 共同実験グループは、宇宙線 が大気と衝突する際に発生する大気ニュートリノの観測から、ニュートリノ振動が生じている証拠を99%の確度で確認した。また、2001年 には、アーサー・B・マクドナルド らによるサドベリー・ニュートリノ天文台 での太陽ニュートリノ の観察結果からも強い証拠が得られた[ 5]
ニュートリノ振動が実験で観測されたことにより、ニュートリノには質量があることが確定した[ 6]
従来は弱い相互作用 しかしないこともあって質量は観測されず、一般的には質量は零であるとされていた。しかし、例えば光子 については質量が零であることを保証する理論的な根拠が存在するが、ニュートリノについてはそのような理論的根拠は無かった。ニュートリノ振動の発見により、ニュートリノには質量があることが分かったが、その実験からは型の異なるニュートリノの質量差が測定されるだけであり、質量の絶対値は判明しない。
1987年 2月23日 に発見された15万光年 離れた大マゼラン雲 の超新星 SN 1987A から飛来した電子ニュートリノの観測[ 注釈 3] 電子 の質量の 30 万分の 1 である[ 7] 三重水素 崩壊の正確な測定によると、電子ニュートリノ質量の上限は[ 8]
ニュートリノの質量が零でない値を持つことは理論研究に大きな影響を与える。まず問題になるのは、これまで各種の提案がされてきた標準理論 のうちの一部はニュートリノの質量が零であることを前提としていた。このため、それらの理論は否定される。また、ニュートリノ振動は、各世代ごとに保存されるとされてきたレプトン数 に関しての大幅な再検討を促すことになる。
また、ニュートリノには電磁相互作用 がないため光学的に観測できず、またビッグバン 仮説では宇宙空間に大量のニュートリノが存在するとされることから、ニュートリノは暗黒物質 の候補のひとつとされていたが、確認された質量はあまりに小さいためそれについての大きな寄与はない。
実験結果からは誤差の範囲内で、生成され観測される（ほぼ）すべてのニュートリノはスピン角運動量 の回転方向 （ヘリシティ 、英 :helicity 左巻き 、すべての反ニュートリノが右巻きを持っていることが示されている。このことはニュートリノに質量はないとした極限では、双方の粒子に考えうる2つのカイラリティ （英 :chirality 標準模型 での唯一のものである。
実験結果からは、右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノという相対するパートナーが単に存在しないということも考えられる。そうであれば、観測されるニュートリノと反ニュートリノとは実際は全く異なる性質ということになる。理論的には（大統一理論スケールで）反ニュートリノ粒子に対する考察は、非常に重い（シーソー機構 ）、（ステライルニュートリノ のような）弱い相互作用を起こさない、あるいはその両方などと考えられている。
質量がゼロでないニュートリノの存在は状況をやや複雑にする。ニュートリノは弱い相互作用で生成された固有状態である。しかし質量のある粒子のカイラリティは（みかけの）運動が同じにならない。すなわち、ヘリシティ演算子はカイラリティ演算子とは固有状態を共有しない。自由なニュートリノは左巻きと右巻きのヘリシティ状態が混在して伝搬し、m ν E 超相対論的 であり （m ν ≪E −10 [ 9] [ 10]
2011年 9月23日 CERN で、観測したニュートリノが光速 より速かったという実験結果が発表された[ 11] [ 12] 国際研究実験OPERA 」のチームが、人工ニュートリノ1万6000個を、ジュネーブ のCERN から約730km離れたグラン・サッソ国立研究所 に飛ばしたところ、2.43ミリ秒後に到着し、光速より60.7ナノ秒（1億分の6秒、ナノは10億分の1）速いことが計測された。1万5000回の実験ほとんどで同じ結果が示された[ 13] アインシュタイン の特殊相対性理論 に矛盾するため世界的な論争を呼んだ。光より速い物質が存在しないのは、粒子を光速にまで加速するためには無限のエネルギーが必要だということが理由だが、もしこの実験結果が本当であった場合には、このニュートリノはエネルギーを必要としない何らかの相転移で超光速になってまた戻ったとする仮説なども考えられた。
OPERAチームは、光速を超える物質が存在しないことを説明する特殊相対論 は、これまでの多くの実験と理論によりはっきり確立された理論であり、自分たちの実験結果は誤りであると考えていた。そのため結果を発表するのに数か月の内部での討論を重ねて、実験結果の誤りを探したが、内部の討論では誤りを発見できず、科学界での検証を呼びかけた。OPERAは声明の中で「この結果が科学全般に与える潜在的な衝撃の大きさから、拙速な結論や物理的解釈をするべきではない」としていた[ 14]
11月18日 、OPERAは、ニュートリノビームの長さを短くした再実験によってもほぼ同様の結果が見られたと発表した[ 注釈 4] [ 15] [ 16] [ 17] GPS を使ったとしている。
その後、ニュートリノの到着側で地上と地下の時計をつなぐ光ケーブルの接続不良やニュートリノ検出器の精度が不十分だった可能性が見つかったため、2012年 5月、実験不備を解消した上で再実験を行った。その結果、ニュートリノと光の速さに明確な差は得られず、実験結果を修正、6月8日にニュートリノ・宇宙物理国際会議で「超光速」の当初報告の正式撤回を発表した[ 18] [ 19] [ 20]
当初の原論文[ 12] 光速度 をc {\displaystyle c} 電子ボルト のミューオン ・ニュートリノ）の速度をV {\displaystyle V}
( V − c ) c = ( 2.48 ± 0.28 ± 0.30 ) × 10 − 5 {\displaystyle {\frac {(V-c)}{c}}=(2.48\pm 0.28\pm 0.30)\times 10^{-5}} 0.28 {\displaystyle 0.28} 統計誤差 、0.30 {\displaystyle 0.30} 系統誤差 。）
である（有意水準 は6.0 σ {\displaystyle 6.0\sigma }
これから、
V = c × ( 1 + 2.48 × 10 − 5 ) = c × 1.000 0248 = 299 799 893 m/s {\displaystyle {\begin{alignedat}{3}V&=c\times (1+2.48\times 10^{-5})\\&=c\times 1.000\ 0248\\&=299\ 799\ 893\ {\text{m/s}}\end{alignedat}}}
となり、c = 299 792 458 m/s {\displaystyle c=299\ 792\ 458\ {\text{m/s}}}
なお、統計誤差と系統誤差を考慮すると、最低でも
V m i n = c × ( 1 + 1.90 × 10 − 5 ) = c × 1.000 0190 = 299 798 154 m/s {\displaystyle {\begin{alignedat}{3}V_{\rm {min}}&=c\times (1+1.90\times 10^{-5})\\&=c\times 1.000\ 0190\\&=299\ 798\ 154\ {\text{m/s}}\end{alignedat}}}
光速c {\displaystyle c}
V m a x = c × ( 1 + 3.06 × 10 − 5 ) = c × 1.000 0306 = 299 801 632 m/s {\displaystyle {\begin{alignedat}{3}V_{\rm {max}}&=c\times (1+3.06\times 10^{-5})\\&=c\times 1.000\ 0306\\&=299\ 801\ 632\ {\text{m/s}}\end{alignedat}}}
光速c {\displaystyle c} [ 注釈 5]
当初よりこの実験結果に対する懐疑的な意見があった。小柴昌俊 が行った超新星爆発SN 1987A の観測では光とほぼ同時（発生源からの距離に比して）に届いたニュートリノだけしか確認されておらず、その事実と整合しない。もしニュートリノがOPERAの実験結果と同じくらいの速度であれば、ニュートリノは超新星からの光学観察時刻の8年前に到着していなければならない。2007年 にフェルミ国立加速器研究所 におけるMINOS実験[ 21] スーパーカミオカンデ で人工ニュートリノ飛行実験[ 22]
10月6日 、CERN のホイヤー所長、高エネルギー加速器研究機構 の鈴木厚人機構長、フェルミ国立加速器研究所のオッドーネ所長らはジュネーブ で記者会見し、OPERA実験の超光速の結果に対して懐疑的立場を示した。ホイヤー所長は「1つの方法による1つの実験結果にすぎない」とし、CERNとOPERAを切り離す立場をとり、特に実験に使われたGPSによる時刻あわせが疑われるとした。そのため今後にフェルミ国立加速器研究所で追加実験を行い、数ヶ月後に結果が出る見込みであると語った。[ 23] [ 注釈 6]
11月19日 、グラン・サッソ国立研究所の別の実験チーム「ICARUS」が、OPERAの結果を否定する論文を発表した。それによると、実験では光速で移動する粒子と同じエネルギースペクトルを示したという。グラショウ理論によれば、もし超光速ならエネルギーをほとんど失っているはずだという[ 24] [ 25] [ 26]
^ 「neutrino」という語は、「中性の（もの）」という意味のneutroという語幹に、イタリア語 の「小さい～」を意味する接尾辞 （指小辞 ）の「ino イーノ」を組み合わせた造語である。 ^ この際にパウリはこの粒子を「中性子（ニュートロン）」と呼称していたが、ジェームズ・チャドウィック が自身の発見した中性粒子にこの名を命名したため、フェルミによって新たに「ニュートリノ（イタリア語で中性の微粒子の意、中性微子と訳されたこともある）」と名付けられた。 ^ 日本の小柴昌俊 らによるカミオカンデ 、アメリカのIMB 、ロシアのBaksan （英語版 ） ^ ニュートリノビームが長かったため、最初の実験ではビームのどこで到着時間を計測しているか不明であった。 ^ 時計はGPSを利用し、10ナノ秒であわせた。 ^ このGPSについて、民間用GPSは位置精度が落とされているが、その最大誤差は数十m程度であるので、GPSの位置精度からではこの実験の説明がつけられないとされた。ただしGPSの時間精度（原子時計 を搭載した衛星を利用しているが）と、2つの実験装置への実装の具体的な方法（遅延が生じる場合がある）が知られておらず、疑惑の中心とされていた。通常は精密な時刻あわせにはGPSを利用しないためであった。 ^ ニュートリノ - ATOMICA - ^ J. Csikai (1957). “Photographie evidence for the existence of the neutrino”. Il Nuovo Cimento 5 (4): 1011. doi :10.1007/BF02903226 . ^ J. Csikai, A. Szalay (1959). “The effect of neutrino recoil in the beta decay of He6 {\displaystyle ^{6}} Soviet Physics JETP 8 (5): 749. ^ European Physical Society Historic Site - The Neutrino Experiment ^ “The Nobel Prize in Physics 2015 ”. Nobel Media AB. 2021年10月7日閲覧。 ^ J. Schechter, J.W.F. Valle (1980). “Neutrino Masses in SU(2) x U(1) Theories”. Physical Review D 22 (9): 2227. Bibcode : 1980PhRvD..22.2227S . doi :10.1103/PhysRevD.22.2227 . ^ Arnett, W.D.; et al. (1989). “Supernova 1987A”. en:Annual Review of Astronomy and Astrophysics 27 : 629–700. Bibcode : 1989ARA&A..27..629A . doi :10.1146/annurev.aa.27.090189.003213 . ^ Nakamura, K. (2010年). “Neutrino Properties ”. Particle Data Group . 2012年12月12日時点のオリジナル よりアーカイブ。2010年12月20日閲覧。 ^ B. Kayser (2005年). “Neutrino mass, mixing, and flavor change ”. Particle Data Group . 2007年11月25日閲覧。 ^ S.M. Bilenky, C. Giunti; Giunti (2001). “Lepton Numbers in the framework of Neutrino Mixing”. International Journal of Modern Physics A 16 (24): 3931–3949. arXiv :hep-ph/0102320 . Bibcode : 2001IJMPA..16.3931B . doi :10.1142/S0217751X01004967 . ^ “OPERA experiment reports anomaly in flight time of neutrinos from CERN to Gran Sasso ”. CERN press release (2012年2月23日). 2012年3月17日時点のオリジナル よりアーカイブ。2012年2月23日閲覧。 ^a b OPERA collaboration (22 September 2011). “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”.arXiv :1109.4897v1 hep-ex ]. ^ 物理：光より速いニュートリノ? 相対性理論覆す発見か -ウェイバックマシン （2011年9月24日アーカイブ分）毎日新聞 2011年9月23日^ ニュートリノは光より速い?NHK:2011年9月23日 18時57分 -ウェイバックマシン （2011年9月24日アーカイブ分）^ 光より速いニュートリノ、再実験しても速かった 読売新聞 2011年11月19日00時51分 -ウェイバックマシン （2011年11月19日アーカイブ分）^ OPERA collaboration (18 November 2011). “Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”.arXiv :1109.4897v2 hep-ex ]. ^ “New Tests Confirm The Results Of OPERA On The Neutrino Velocity, But It Is Not Yet The Final Confirmation ”. INFN press release (2011年11月18日). 2011年11月18日閲覧。 ^ ニュートリノ「光より速い」撤回へ -ウェイバックマシン （2012年6月2日アーカイブ分）読売新聞 2012年6月2日^ “ニュートリノ、「超光速」撤回 名古屋大などが正式に発表 再実験で判明 ”. 産経新聞 (2012年6月8日). 2016年3月4日時点のオリジナル よりアーカイブ。2014年3月29日閲覧。 ^ ニュートリノ「光より速い」撤回 国際チーム「測定ミス」 ケーブル接続部に隙間 -ウェイバックマシン （2012年6月10日アーカイブ分）産経新聞 2012年6月9日^ MINOS collaboration (2007). “Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam”. Physical Review D 76 (7): 072005. arXiv :0706.0437 . Bibcode : 2007PhRvD..76g2005A . doi :10.1103/PhysRevD.76.072005 . ^ つくば・神岡間長基線ニュートリノ振動実験 (K2K) ^ ニュートリノの光速超え「疑い抱く」実験舞台の責任者 日本経済新聞 2011年10月7日^ 「光速超えるニュートリノ」に異論、伊チームが論文発表 ロイター 11月21日 ^ Study rejects "faster than light" particle finding:Reuters:By Robert Evans GENEVA | Sun Nov 20, 2011 6:35pm EST ^ A search for the analogue to Cherenkov radiation by high energy neutrinos at superluminal speeds in ICARUS :last revised Thu, 8 Mar 2012 15:42:38 UTC (this version, v3) 
