日本の新たなノーベル賞獲得計画が始動！お家芸のニュートリノ研究で「反物質」の謎に迫る

ニュートリノの前置検出器の予定地近くに「ニュートリノがここを通る」の横断幕がある＝２０２５年６月、茨城県東海村

　今年のノーベル賞は、生理学・医学賞で坂口志文（さかぐち・しもん）大阪大特任教授、化学賞で北川進（きたがわ・すすむ）京都大特別教授の受賞が決まり、２人の日本人が栄誉に輝いた。今後も日本人の受賞が期待されるが、「これを発見すればノーベル賞級」と言われるネタは数多くあれど、そこに至る道筋がはっきりと見えているものは少ない。物理学の分野での「素粒子ニュートリノのＣＰ対称性の破れ」はそんな希少案件の一つかもしれない。これまで日本のチームの研究により９９・７％の確率で「破れはある」と見込まれているが、これを「発見」と言える９９・９９９９４％まで押し上げるためのプロジェクトが今、進行中だ。場所は茨城県東海村と岐阜県飛騨市神岡町。高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構、東京大がタッグを組み、精度を上げた実験を行う。日本のお家芸ともいえるニュートリノ研究でノーベル賞を取りに行く。（共同通信＝浅見英一、田島沙羅）

　▽「反物質」の謎

　プロジェクトの名前は「ハイパーカミオカンデ計画」。目的は、ニュートリノに関してＣＰ対称性というものが破れていることを証明することにある。ニュートリノはご存じ素粒子の一種で、他の物質とほとんど反応せず、なんでもかんでもすり抜けてしまうことで知られる。ＣＰ対称性の破れとは、後で説明する反物質というものと物質の間で、物理的な性質が異なることを指す。　これがなぜノーベル賞級なのか。それは長年、研究者を悩ませている問題に答えを出す可能性があるからだ。　

ハイパーカミオカンデの完成予想図（東京大学宇宙線研究所・神岡宇宙素粒子研究施設提供）

宇宙には数多くの物質が存在するが、その反対の性質を持つ反物質は圧倒的に少ない。反物質とは、例えば電子に対する陽電子で、陽電子は電気的性質（電荷という）が電子の反対のプラス。また電子と陽電子が出会うと消滅してエネルギーに変換されてしまう。これを対消滅という。その反物質が、宇宙誕生時には物質と同じぐらいあったと考えられている。だとしたら両者が出会って、ほとんどが消えてしまった…はずだが、なぜか物質が多く残り、そのおかげで現在地球も人類も存在している。　反物質は物質とは違う形で宇宙の歴史のある時点までに消えてしまったわけで、「ＣＰ対称性の破れ」と呼ばれる性質の違いがあるのではないか、と考えられている。そのＣＰ対称性の破れはこれまで陽子や中性子などをつくる素粒子クォークで発見されている。だがそれだけだと、宇宙全体の物質反物質の量の不均衡を説明するには不十分だという。

ハイパーカミオカンデが建設される空洞（東京大学宇宙線研究所・神岡宇宙素粒子研究施設提供）

　そこでニュートリノが登場する。ニュートリノとその反物質の反ニュートリノとの関係で、ＣＰ対称性が破れているとすると、不足分を補う説明ができるかもしれないというのだ。　大まかなロジックは次の通り。（１）ニュートリノ、反ニュートリノにはそれぞれ３種類あるが、飛んでいる最中に種類が変わる「ニュートリノ振動」というものがある（２）もし振動で別の種類に変わる割合がニュートリノと反ニュートリノでは違うことが見つかったら（３）それはニュートリノと反ニュートリノに性質の違いがある＝すなわちニュートリノのＣＰ対称性が破れている（４）もしこの違いが大きければ、ニュートリノでのＣＰ対称性の破れを突破口として、物質・反物質の量の差を説明できるかもしれない―。今回のミッションは実験で（２）と（３）を実証することにある。すると（４）への道が開けてくる。　なぜニュートリノと反ニュートリノの対称性の破れで、物質と反物質の量の差を説明できるのか。高エネルギー加速器研究機構の中平武（なかだいら・たけし）教授は「宇宙誕生直後の超高温、超高密度の状態では、クォークとレプトン（電子やニュートリノなどある種の素粒子の総称）が入れ替わるような反応も起きていたと考えられる」と話す。クォークからレプトンが生まれ、レプトンからまたクォークが生まれる。同様に反クォークから反レプトン、また反クォーク…というぐあいに連鎖反応が起きていたらしい。この中でレプトンであるニュートリノと反ニュートリノに対称性の破れがあれば、その存在量に不均衡が生じ、ひいてはクォークと反クォークの差、さらには物質と反物質の差が説明できるかもしれないという話だ。

　▽ニュートリノ振動

　ニュートリノは（反ニュートリノも）他の物質とほとんど反応しないと書いたが、まれに分子などと衝突、反応して電気を帯びた粒子をはじき出すことがあり、これをとらえることで検出が可能だ。調べてみると、「電子型」「ミュー型」「タウ型」の３種類があることが分かり、しかも飛行中にミュー型が電子型へ、あるいはタウ型へ、といった具合にお互いに変身することも分かった。これが東大の梶田隆章（かじた・たかあき）卓越教授がノーベル物理学賞を受賞した理由となったニュートリノ振動だ。

　この振動を詳しくみてみる。簡単にするため、ミュー型が電子型に変身するケースだけを考える。実は純粋なミュー型のニュートリノというものは存在せず、発生した瞬間からミュー型の成分と電子型の成分が混在しているのだと考えてほしい。正確には混在しているというより、重ね合わさっている。そしてこの成分の大きさは時間の経過とともに変動する。　ニュートリノは素粒子なので量子力学のルールに従ってふるまい、粒子であると同時に波のような性質も持つ。さっき成分と言ったのはつまり、ミューニュートリノの波と電子ニュートリノの波の両方が飛んでいくイメージで、しかもこれらの波はお互いの山と谷の部分がずれている。観測器で捕獲した時に山や谷のところに（大きく）振れている方のニュートリノが検出されやすい。ミュー型の波が高いときに観測にひっかかれば「ミュー型が来た」と判定される可能性が高いし、逆もしかりだ。　どちらのニュートリノとして観測されるかは確率的にしか言えないし、捕獲してみるまではどちらの型であるかは確定していない。確率が波のように上がったり下がったりしているということだ。

　▽「スーパー」から「ハイパー」に

　以上のような予備知識を持って今回の実験を見る。２０２８年にも開始する新たな実験は大まかに言えば、東海村にある大強度陽子加速器施設（Ｊ－ＰＡＲＣ）で人為的に発生させたニュートリノを西向きに発射し、約２９５キロ離れた神岡町に２７年にも完成する新施設「ハイパーカミオカンデ」で捕捉する。やっと出てきたこの施設の名前から今回の「ハイパーカミオカンデ計画」は名付けられている。　この２点間を飛行する間にミュー型ニュートリノから電子型ニュートリノに変わる数と、ミュー型反ニュートリノから電子型反ニュートリノに変わる数を比較する。到達にかかる時間は千分の１秒ほどだが、振動が起こるにはちょうどいい距離だという。

　この計画に先立ち、２０１０年から現在まで、茨城県東海村のＪ－ＰＡＲＣにある加速器で生成したニュートリノを、神岡町の検出施設スーパーカミオカンデ（今回とは別）に飛ばし、振動の様子を調べるという「Ｔ２Ｋ実験」が行われている。このとき、飛ばしたニュートリノの個数は１秒間に２７００万個で、スーパーカミオカンデでは１日にだいたい９個のニュートリノを検出している。　ニュートリノ振動においてＣＰ対称性が破れていることを証明したいなら、ミュー型ニュートリノが電子型ニュートリノへの振動が計算による予想より多く、かつ反ミューニュートリノから反電子ニュートリノへの振動が予想より少なければ良い。これまでの実験で、スーパーカミオカンデで捕捉したニュートリノは約１４００個。このうち、ミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動が理論的に（ＣＰ対称性の破れがないという前提で）予想されたのは９５個。これに対し実際の観測は１０８個。また反ニュートリノの捕捉は約５００個で、このうち反ミューニュートリノから反電子ニュートリノへの振動は予想された２０個に対し１６個だった。　中平さんは「ＣＰ対称性が大きく破れていることを期待させる結果だ」と言う。これが冒頭に紹介した「破れがある確率９９・７％」を支持する実験成果だ。　新たな実験では、ニュートリノの発生数を増やすように加速器を増強し、神岡町のニュートリノ検出器を大型化することで、１日に１２０個（現在の９個から１０倍以上）のニュートリノ検出を行い、ニュートリノと反ニュートリノの振動現象をそれぞれ２０００回程度を観測して比較する計画だ。

　▽ニュートリノの「通り道」が観光名所に？

　実際の実験は次のように行う。Ｊ－ＰＡＲＣの計３段の加速器を使って陽子を光速近くまで加速した上でグラファイト（炭素）でできたターゲットにぶつける。炭素の原子核（６個の陽子と６個の中性子でできている）にぶつかると、パイ中間子というものが飛び出てきて、これがニュートリノへと崩壊する。　出てきたパイ中間子は四方八方に飛散しようとするが、電荷を持ったパイ中間子は磁石を使ってある程度飛ぶ方向をそろえることができる。そうすることでニュートリノが飛んでいく方向もそろえることができるというわけだ。ニュートリノはプラス、反ニュートリノはマイナスの電荷を持ったパイ中間子から発生させる。ここで結構大事なのが、ニュートリノがいつどんな方向に、どれぐらいのエネルギーで飛んでいったかを発生直後にモニタリングすることだ。神岡町に着くまでに「ニュートリノがどう変化（振動）したか」を調べるのが実験の肝なので、ハイパーカミオカンデで検出されるであろうニュートリノを予測して、実際の観測数と比較するために必要な情報だ。Ｊ－ＰＡＲＣ側でニュートリノを検出する装置は「前置検出器（ぜんちけんしゅつき）」と呼ぶ。　前置検出器は二種類を使う。一つ目はこれまでのＴ２Ｋ実験でも使用しているもので、ニュートリノを生成した場所から２８０メートルほど先に設置、もう一つは同じく約８００メートル離れた場所に置く。　もちろんいったん検出器にかかったニュートリノは神岡町まで飛んでいかないが、結果から一緒にできたニュートリノの情報が得られる。どの時刻にどのようなニュートリノが先方に到着するか予測できるため、どのように振動したか分析できるという仕組みだ。

ニュートリノの前置検出器の設置予定地＝２０２５年６月、茨城県東海村

　興味深いのは二つ目の検出器。検出方法がカミオカンデと同じ水で満たされたタイプで、ニュートリノが水と反応して発する光を増幅して観測する。現在のＴ２Ｋ実験では（つまり一つ目の検出器は）、検出に水ではなくプラスチックとの反応を利用するタイプを使っている。だがこれだと検出方法が異なるので測定結果を比較するのが難しい。二つ目は検出が同じ。今回の実験から新たに投入されるいわば新兵器だという。　ところで、ニュートリノを生成して発射するビームの断面の大きさは直径１・４メートル程度。これがさきほど説明した１個目の検出器（２８０メートル先）に到達するときには直径１０メートル、２個目の検出器（８００メートル先）に達する際には直径３０メートル程度にまで広がる。２９５キロ先のカミオカンデに着くころには直径１０キロほどに分散してしまっている。ニュートリノをたくさん撃ち込んでも、カミオカンデに命中するのはほんの一部なのだ。　そこで二つ目の前置検出器は、地上からの深さ４６メートルの穴を掘り、上から２６メートルあたりを中心に観測機器をエレベーターのように上下にさせながら観測を行う。こうすることで、広がったビームの場所ごとのエネルギー分布の違いなども測定でき、さらに実験の精度が上がる。　

　この二つ目の検出器が設置されるのはＪ－ＰＡＲＣの敷地の外の国道２４５号線沿い、田んぼに隣接した土地だ。ちなみにここの田んぼは江戸時代から昭和にかけ整備された「細浦青畝（ほそうらせいほ）」と呼ばれる圃場。山林や池に囲まれた風景は美しく、東海十二景にも選ばれている。近くには「ニュートリノがここを通る」との看板も設置してあり、実験が始まれば、観光名所になるかもしれない。　ニュートリノを受け取る神岡町の検出器もパワーアップする。これまでのスーパーカミオカンデが直径３９メートル、高さ４１メートルほどの円筒状の空間に水を満たし、約1万３０００個の超高感度光センサーを配置していた。ハイパーカミオカンデは直径が直径６９メートル、高さ９４メートルで、観測に使える体積が約８倍に増強される。センサーも個々の機器の性能をアップさせたものや、仕組みの違うセンサーなど最大で４万個を取り付ける予定だ。　ハイパーカミオカンデの空洞が今年夏に完成したため、近く機器類の設置作業が始まる。観測は２０２８年ごろ始まる予定だ。国際協力で行われるこの実験の共同代表を務める東京大の塩沢正人（しおざわ・まさひと）教授は「ニュートリノがあったからこそ、人間が存在しているのかもしれない。そんな素朴な疑問を解明できればいいなと思っている」と意気込む。