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素粒子物理学

ニュートリノ物理学

源から検出器までのニュートリノフレーバー振動をシミュレートします。νμ→νe\nu_\mu \to \nu_e 変換確率を距離 L とエネルギー E の関数として測り、P≈sin⁡2(2θ)sin⁡2(1.27 Δm2L/E)P \approx \sin^2(2\theta)\sin^2(1.27\,\Delta m^2 L/E) を確かめます。

研究

器具

  • ニュートリノ源から検出器までの3Dシーン
  • 距離 L とエネルギー E のスライダー
  • 模式的 P(νμ→νe) 確率の読み取り

手順

  1. 距離による振動を観察

    E を固定し「距離 L」スライダーを動かし、ニュートリノビームが検出器へ向かう途中で「フレーバーの色」を変えるのを見ます。P(νμ→νe) の読み取り：確率は L に対し周期的に振動します —— 2つの質量固有状態が異なる位相 Δm2L/(2E)\Delta m^2 L/(2E) を蓄積する証拠です。

  2. エネルギーを変える

    L を固定して「エネルギー E」を走査します。確率は 1/E1/E で振動し、振動波長は Losc∝E/Δm2L_{osc} \propto E/\Delta m^2 に比例します。E に対する P の山・谷の位置を記録し、P≈sin⁡2(2θ)sin⁡2(1.27 Δm2L/E)P \approx \sin^2(2\theta)\sin^2(1.27\,\Delta m^2 L/E)（L は km、E は GeV、Δm2\Delta m^2 は eV²）と比較します。

  3. 位相をリセットし極大点を確認

    「位相をリセット」を押し、1.27 Δm2L/E=π/21.27\,\Delta m^2 L/E = \pi/2 となる L を選びます —— 変換確率は最大値 sin⁡2(2θ)\sin^2(2\theta) に達します。(小L・大E) と (大L・小E) で同じ L/E を持つ2設定を比べると振動は一致 —— 位相を決めるのは比 L/EL/E だけです。

シミュレーション

実験の歴史

ニュートリノは1930年、β崩壊のエネルギー保存を救うためヴォルフガング・パウリが提案しました。「検出不可能な粒子」と自ら呼びましたが、1956年にライネスとコーワンが原子炉近くの水槽で反ニュートリノを捉えました。ブルーノ・ポンテコルヴォ（1957〜68年）は、質量が異なればニュートリノはフレーバー間を振動し得ると提案しました。 ホームステークでレイモンド・デイヴィスが記録した「太陽ニュートリノ欠損」（1968年〜、予測νₑ束流の約1/3しか観測されない）は、スーパーカミオカンデ（小柴、1998年）の大気ニュートリノ振動観測とSNO（マクドナルド、2001〜02年）によるνₑ→νμ/ντ変換の証明で解決しました。2015年のノーベル賞は梶田とマクドナルドへ。振動はニュートリノに質量がある証拠 —— 標準模型最初の亀裂です。

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