ニュートリノ、自然のゴースト粒子を探して| 科学| スミソニアン - 記事、科学、技術、宇宙

ニュートリノにあふれています。それらは、2ダースほどの知られている亜原子粒子の中で最も軽く、あらゆる方向から来ています。宇宙を始めたビッグバンから、爆発する星から、そして何よりも太陽から。彼らは、昼夜を問わず、膨大な数の光の速度で地球をまっすぐに通過します。約100兆個のニュートリノが毎秒私たちの体を通過します。

関連性のあるコンテンツ

物理学で奇妙なポータルを開く

物理学者にとっての問題は、ニュートリノが見にくく、検出が難しいことです。そうするように設計された機器は、触ると固く感じるかもしれませんが、ニュートリノにとっては、ステンレス鋼でさえほとんどが空の空間であり、太陽系が彗星に対して広いのと同じくらい開いています。さらに、ニュートリノは、ほとんどの亜原子粒子とは異なり、電荷を持たないため、中性であるため名前が付けられているため、科学者は電気力または磁気力を使用してそれらを捕捉できません。物理学者はそれらを「ゴースト粒子」と呼びます。

これらのとらえどころのないエンティティをキャプチャするために、物理学者はいくつかの非常に野心的な実験を行ってきました。ニュートリノが宇宙線（地球を貫通しない宇宙からの素粒子）と混同されないように、検出器は地下深くに設置されています。巨大なものは、金とニッケルの鉱山、山の下のトンネル、海、南極の氷の中に置かれています。これらの奇妙に美しい装置は、宇宙について学ぶという人類の決意の記念碑です。

ニュートリノの研究からどのような実用的応用がもたらされるかは不明です。イリノイ州バタビアにあるフェルミラボの理論物理学者であるボリス・カイザーは、「どこに導くのかわかりません」と述べています。

物理学者は、ニュートリノがそのような奇妙なキャラクターであるため、部分的にニュートリノを研究します。彼らは、ニュートリノが最も基本的な性質を説明する規則を破っているようです。そして、もし物理学者が自然の基本を例外なく説明する一貫した現実の理論を開発するという彼らの希望を達成しようとするなら、彼らはニュートリノの振る舞いを説明しなければならないでしょう。

さらに、ニュートリノは、粒子が宇宙の外側からのメッセンジャーであり、銀河やその他の不可解な現象を激しく爆発させることで作成されたため、科学者を魅了します。「ニュートリノは、より謙虚な粒子ではできないことを私たちに伝えることができるかもしれません」とカイザーは言います。

物理学者はニュートリノを発見するずっと前に想像していた。 1930年に、彼らは合計していない方程式のバランスをとるための概念を作成しました。放射性原子の核が崩壊するとき、それが放出する粒子のエネルギーは、元々含まれていたエネルギーと等しくなければなりません。しかし実際には、科学者は、核は検出器が検出するよりも多くのエネルギーを失っていると観察しました。そのため、その余分なエネルギーを説明するために、物理学者のヴォルフガング・パウリは、核から放出される余分な目に見えない粒子を思いついた。「今日、検出できない粒子を提案することで、非常に悪いことをしました」とパウリは日記に書いています。「理論家がすべきでないことです。」

とにかく実験家はそれを探し始めました。 1950年代半ばにサウスカロライナの核兵器研究所で、彼らは、方程式によれば、1秒間に10兆ニュートリノを作るはずだった2つの大きな水槽を原子炉の外に置いた。検出器は今日の標準では小さいものでしたが、ニュートリノを1時間に3回発見することができました。科学者は、提案されたニュートリノが実際に本物であることを確立しました。とらえどころのない粒子の研究を加速。

10年後、別の物理学者グループが、地下4, 850フィートのサウスダコタ州のリードにあるホームステイク金鉱山に検出器を設置したことで、この分野は拡大しました。この実験では、科学者はニュートリノが塩素原子と衝突し、容易に検出可能な放射性アルゴンを生成するまれな状況で何が起こるかを監視することにより、ニュートリノを観察しようとしました。実験の中心にあったのは、ドライクリーニングで使用される液体である塩素に富んだ液体、ペルクロロエチレン600トンで満たされたタンクでした。数ヶ月ごとに、科学者はタンクをフラッシュし、15個のニュートリノの証拠である約15個のアルゴン原子を抽出しました。監視は30年以上続きました。

ニュートリノをより多く検出することを望んで、日本の科学者は亜鉛鉱山の地下3, 300フィートの実験を主導しました。スーパーカミオカンデ、または既知のスーパーKは、1996年に運用を開始しました。検出器は、13, 000の光センサーで覆われたドーム型タンク内の50, 000トンの水で構成されています。センサーは、ニュートリノが水中の原子と衝突して電子を生成するときに発生する、時々見られる青いフラッシュ（目が見えにくい）を検出します。また、電子が水中を移動した正確な経路を追跡することにより、物理学者は宇宙で衝突ニュートリノの発生源を推測できました。彼らは、ほとんどが太陽から来ていることを発見した。この測定は、Super-Kが空を横切る太陽の進路を追跡し、地球の表面から1マイル近くから日が夜に変わるのを監視できるほど十分に敏感でした。「本当にエキサイティングなことです」とマサチューセッツ工科大学の物理学者ジャネット・コンラッドは言います。粒子追跡を編集して、「ニュートリノの太陽の美しい画像」を作成できます。

しかし、HomestakeとSuper-Kの実験では、物理学者が期待したほど多くのニュートリノは検出されませんでした。サドベリーニュートリノ天文台（SNO、「雪」と発音）での研究により、理由が特定されました。オンタリオ州の6, 800フィートの深さのニッケル鉱山に設置されたSNOには、1, 100トンの「重水」が含まれており、ニュートリノと比較的簡単に反応する異常な形の水素を含んでいます。液体は、振動を吸収し、9, 456個の光センサーが取り付けられた測地線上部構造内に保持されている巨大なアクリルボールの内部に吊り下げられたタンク内にあります。

SNOで働いている科学者は、2001年にニュートリノが3つの異なるアイデンティティを自発的に切り替えることができることを発見しました。または物理学者が言うように、ニュートリノは3つのフレーバーの間で振動します。この発見には驚くべき意味がありました。ひとつには、これまでの実験で検出されたニュートリノが予想よりもはるかに少ないことが示されたのは、機器が1つのニュートリノフレーバー（電子を生成する種類）にチューニングされ、切り替えられたニュートリノが欠落しているためです別の理由として、この発見は、光子のようなニュートリノには質量がないという物理学者の信念を覆した。（フレーバー間での振動は、質量を持つ粒子のみができることです。）

ニュートリノにはどのくらいの質量がありますか？調べるために、物理学者はカトリン、カールスルーエトリチウムニュートリノ実験を構築しています。カトリンのビジネスエンドは、スペクトロメーターと呼ばれる200トンの装置を誇っています。この装置は、原子が放射性崩壊する前後の原子の質量を測定し、ニュートリノがどれだけの質量を運ぶかを明らかにします。技術者は、実験が行われるドイツのカールスルーエから約250マイルの距離に分光計を構築しました。この装置は地域の狭い道路には大きすぎたため、ドナウ川のボートに乗せられ、ウィーン、ブダペスト、ベオグラードを越えて、黒海、エーゲ海、地中海、スペイン海峡、イギリス海峡を流れました。、ロッテルダムへ、そしてライン川へ、そして南のドイツのレオポルトスハーフェンの川港へ。そこでトラックに降ろされ、2か月後、5, 600マイル後に町を通り、目的地まできしみ音がしました。 2012年にデータの収集を開始する予定です。

宇宙からのニュートリノが超新星や衝突銀河を運ぶ可能性があるという情報に興味のある物理学者や天文学者は、ニュートリノ「望遠鏡」を設置しました。IceCubeと呼ばれるものは、南極の氷原の中にあります。 2011年に完成すると、5, 000を超える青色光センサーで構成されます（上の図を参照）。センサーは、予想されるように空ではなく、地上に向けられており、北から惑星を通過する太陽や宇宙からのニュートリノを検出します。地球は宇宙線を遮断しますが、ほとんどのニュートリノは8, 000マイル幅の惑星をまるでそこにいないかのように圧縮します。

中西部のいくつかの州で長距離ニュートリノ実験が行われています。亜原子粒子を生成する高エネルギー加速器は、イリノイ州北部、ウィスコンシン州を越えてミネソタ州に至るまで、ニュートリノと関連粒子のビームを6マイルもの深さまで発射します。メインインジェクターニュートリノ振動サーチ（MINOS）と呼ばれる実験の一環として、粒子はフェルミラボから始まります。 3分の1秒未満で、彼らは450マイル離れたスーダン鉄鉱山の探知機に命中しました。科学者が収集したデータは、この極小世界の状況を複雑にします。今では、いわゆる反ニュートリノのエキゾチックな形のニュートリノは、他のニュートリノと同じ振動規則に従わないようです。

「何がクールなのか」とコンラッドは言います。「それは私たちが期待したものではないということです。」

ニュートリノに関しては、ほとんどありません。

Ann Finkbeinerの最新の本、 A Grand and Bold Thingは、宇宙をマッピングする取り組みであるSloan Digital Sky Surveyに関するものです。

私たちを攻撃するニュートリノのほとんどは太陽から来ており、ここに紫外線画像で示されています。（NASA）

日本の海綿状のスーパーカミオカンデ検出器には、ニュートリノの兆候を特定するために13, 000個のセンサーが並んでいます。ボートの労働者は、水で満たされたデバイスを監視します。（東京大学ICRR（宇宙線研究所）神岡天文台）

太陽の中心での一連の反応で、水素原子は核融合によってヘリウムを作ります。このプロセスは、ニュートリノを含むエネルギーと原子以下の粒子を放出します。光子または光の粒子が太陽の密なコアを離れるとき、それは熱と怒りに閉じ込められ、何百万年もの間私たちに届かないかもしれません。しかし、太陽ニュートリノは不安定ではなく、8分で地球に到達します。（Samuel Velasco / 5Wインフォグラフィック）