ベータおよびニュートリノ放射能: 質量とスピンの歴史

ベータ崩壊の難問

20日の初めに^e20 世紀、物理学者は謎に遭遇しました。ベータ崩壊中、中性子は電子を放出しながら陽子に変化します。 しかし、測定された総エネルギーはエネルギー保存則に違反しているように見えました。 1930 年、この基本原則を守るために、ヴォルフガング・パウリ(1900-1958) は、非常に軽く、ほとんど検出できない中性粒子、ニュートリノの存在を提案しました。 後者は電子と同時に放出され、失われたエネルギーの一部を奪います。

ニュートリノ、宇宙の量子幽霊

ニュートリノは、スピン \(\frac{1}{2}\) を持ち、電荷を持たず、非常に低い質量 (1 eV/\(c^2\) 未満) を持つレプトンです。 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 つのタイプ (または「フレーバー」) が存在し、それぞれが対応する荷電粒子に関連付けられています。 ベータ崩壊の場合、問題となるのは電子ニュートリノ (\(\nu_e\)) です。 これらの粒子は、ほとんど相互作用することなく物質を通過します。太陽や地球の核反応から来る数十億のニュートリノは、検出可能な痕跡を残さずに毎秒私たちを通り抜けます。 それらの相互作用はもっぱら弱いタイプのものであるため、検出が非常に困難になります。

ベータ放射能の保存

典型的なベータ崩壊では、中性子は次の図に従って変形します。

\(n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}_e\)

ここで、 \(n\) は中性子、 \(p\) は陽子、 \(e^{-}\) は電子、 \(\bar{\nu}_e\) は反電子ニュートリノです。 ニュートリノの導入により、エネルギー、運動量、角運動量の保存則を復元することが可能になります。 たとえば、ベータ崩壊で放出される電子エネルギーの連続スペクトルは、別の粒子がこのエネルギーのランダムな部分を持ち去る場合にのみ説明できます。これはまさにニュートリノの働きです。

検出と実験による確認

ニュートリノの存在は 1956 年に実験によって証明されました。フレデリック・クイーンズ(1918-1998) とクライド・コーワン（1919-1974）サバンナリバー工場で、原子炉から放出される反ニュートリノを検出。彼らの方法は逆相互作用に基づいています。

\(\bar{\nu}_e + p \rightarrow n + e^{+}\)

二次陽電子 (\(e^{+}\)) と中性子の観測は、ニュートリノ通過の間接的な痕跡を提供します。 それ以来、スーパーカミオカンデやアイスキューブのような巨大な検出器は、これらのメッセンジャー粒子を追跡し続けており、これらのメッセンジャー粒子は、超新星や太陽の核だけでなく、地球上の核プロセスについても私たちに知らせています。

自然の非対称性を明らかにするスピン

ニュートリノは、他のレプトンと同様、スピン粒子 \(\frac{1}{2}\) です。 しかし、他のフェルミ粒子 (素粒子) とは異なり、物理学の基本的な対称性の下では反粒子と同じようには振る舞わないという興味深い特殊性があります。 この非対称性は特に、パリティ違反(\(P\)) は弱い相互作用で観察されます。

1957 年、中国系アメリカ人の物理学者の歴史的な経験、ウー・チェンシウン(1912-1997) は、ベータ崩壊から生じる電子が原子核のスピンと反対の方向に優先的に放出されることを実証し、自然が右と左を区別することを実証し、普遍的対称性の定説を大きく破りました。 この結果は、ベータ崩壊で生成されるニュートリノが常にキラリティーを残した、反ニュートリノはまっすぐなキラリティーです。

この性質は次のように表されます。ヘリシティ: ニュートリノは、そのスピンの向きがその運動方向と逆平行になって伝播します (\(h = -1\))。 一方、ニュートリノの質量がゼロであれば、そのヘリシティはローレンツ変換によって不変になります。 ニュートリノがフレーバー間で振動できるという事実は、ニュートリノには質量があるため、正確に光の速度で移動しないことを意味します。 これは、理論的には、慣性系の反転によってニュートリノを反ニュートリノに変換する可能性を再び開き、これは地球に重大な影響を与えるだろう。CP違反拡張標準モデルの構造。

したがって、ニュートリノスピンは単純な量子特性ではありません。これは、弱い相互作用に左キラリティーのみが介入するという事実に見られる、自然界の深い非対称性を明らかにします。 言い換えれば、ニュートリノの回転は、自然が左右を同じように扱っていないことを示しています。つまり、「左」バージョンのニュートリノのみが弱い相互作用に関与しています。

ニュートリノと基礎物理学

ニュートリノの振動現象 (伝播中に風味を変えるニュートリノの能力) の発見は、ゼロではない質量を暗示することで素粒子物理学に革命をもたらしました。 これには標準モデルの修正が必要であり、それを超えた物理学への道を示唆しています。 ニュートリノは、宇宙の物質/反物質の非対称性に役割を果たしたり、宇宙で失われた質量の一部を説明したりする可能性さえあります。

ニュートリノ: 小さな粒子、計り知れない役割

パウリ粒子は当初、エネルギー異常に対するその場限りの修正として考えられましたが、現代物理学の中心人物であることが証明されました。 目には見えませんが遍在するニュートリノは、ベータ放射能の静かなメッセンジャーであり、物質と宇宙を支配する最も基本的な法則についての貴重な手がかりを運びます。

ニュートリノの3つの味の特徴

出典: CEO (Particle Data Group、2024)、スーパーカミオカンデ、IceCube。