この度、英国物理雑誌PhysicsWorld の選ぶ2011年の物理学における大発見“Top 10 physics breakthroughs in 2011”に、高エネルギー物理学研究室の参加するT2K(ティーツーケー)実験が選ばれました(順位は7位)。対象となった研究成果は、”ミュー型ニュートリノから電子型ニュートリノへのニュートリノ振動の測定”です。

　2010年から物理データ取得を開始したT2K実験は、物質を構成する最も基本的な粒子の一つであるニュートリノという素粒子を、茨城県東海村にあるJ-PARC加速器で大量に作り(1秒間に約100兆個)、そのニュートリノを295km離れた岐阜県飛騨市にある50ktonの純水を使用したスーパーカミオカンデ検出器で観測するという大規模な実験です。ニュートリノ振動は、電子型、ミュー型、タウ型の3種類あるニュートリノが飛行中に種類を変えたり、また戻ったりする不思議な現象です(図1)。この現象は、ニュートリノに質量がないとする素粒子の標準理論では説明できません。ニュートリノ質量があり、その質量に差があると、ニュートリノは飛行中に3種類が混ざり合った状態となり、 混ざり具合が飛行した距離によって移り変わってきます。最初にこの現象が発見された1998年以降、さまざまな実験によりニュートリノ振動の検証が行われて、ミュー型からタウ型、電子型からミュー型あるいはタウ型への振動の存在は確からしいということが分かってきました。しかしながら、どうして質量があるのか？どうしてそのような混合状態になったのか？などの基本的質問には、残念ながら標準理論で答えることはできません。T2K実験では、ミュー型から電子型へのニュートリノ振動を世界で初めて発見することと、他の振動モードのより精密な測定を目標としています。特に、ミュー型から電子型へのニュートリノ振動の観測では、振動後の電子型ニュートリノが現れるのを観測することにより、これまで測定することのできなかった混合状態を測定することができます。T2K実験の結果によって、新しいニュートリノの性質が明らかになれば、先の質問のような、標準理論ではわからないことを説明する新しい理論の構築に大きく貢献できると期待されています。

続きを読む