2015年ノーベル物理学賞
受賞理由
素粒子「ニュートリノ」が質量を持つことを示すニュートリノ振動の発見（Nucl. Phys. B-Proc. Suppl. 77 (1999) 123 〈Kajita〉, 43 〈McDonald〉）
受賞者
日本
カナダ
解説
1. ニュートリノはとても小さくて目に見えない粒です。2. 1秒間に地球や私たちの体を何千億個も通り抜けています。3. 梶田先生とマクドナルド先生は、この粒が途中で姿を変えることを見つけました。4. 姿を変えることを「振動」と呼びます。5. 振動するためには、ニュートリノが少しだけ重さ（質量）を持っている必要があります。6. これまではニュートリノは重さゼロと考えられていました。7. 二人の発見は教科書を書き換えるほど大事でした。8. 宇宙や星のでき方を知るヒントにもなっています。
関連キーワード
ニュートリノ
1. 電気を帯びていない軽い素粒子で、弱い相互作用のみを行う。2. 電子、ミュー、タウの3フレーバーが存在する。3. 宇宙では光子に次いで数が多く、ビッグバンや星内部で大量に生成される。4. 物質とほとんど反応しないため検出が難しいが、地球内部や超新星の情報を運ぶ。5. 振動現象により質量を持つことが示され、標準模型を超える物理の手がかりとなった。
ニュートリノ振動
1. ニュートリノが飛行中に別のフレーバーへ確率的に変換する量子現象。2. 質量固有状態とフレーバー固有状態の不一致が原因。3. Δm²と混合角θで振動長と振幅が決まる。4. 実験では事象数のエネルギー・距離依存性として観測される。5. 観測はニュートリノに非ゼロ質量が必要であることを意味する。
質量固有状態
1. 粒子が確定した質量を持つ量子状態。2. ニュートリノの場合、|ν₁⟩, |ν₂⟩, |ν₃⟩が存在する。3. フレーバー状態はこれらの線形結合で表される。4. 質量差Δm²が振動周波数を決める。5. 絶対質量値は依然として測定課題である。
ミュー型ニュートリノ
1. μ⁺/μ⁻と相補的な第2世代のニュートリノ。2. 大気ニュートリノや加速器ビームで豊富に生成される。3. スーパー・カミオカンデの観測不足が振動証拠となった。4. エネルギー1〜10GeV範囲でL/E依存の欠損が顕著。5. 長基線実験T2KやNOvAでも詳細に研究されている。
タウ型ニュートリノ
1. τレプトンと対を成す第3世代ニュートリノ。2. 直接検出が難しく、振動先として理論的に重要。3. OPERA実験が初のντ出現を確認。4. スーパー・カミオカンデでは統計的にντ成分を同定。5. ντ検出はフレーバー完全性の検証に不可欠である。
太陽ニュートリノ問題
1. 1960年代から観測値が理論予測の1/3〜1/2しかなかった。2. 当初は太陽模型か検出器の誤差と考えられた。3. フレーバー変換説が提案される。4. SNOのNC/CC測定で解決し、総数は理論通りと判明。5. 問題解決はニュートリノ振動モデルを支持した。
スーパー・カミオカンデ
1. 日本岐阜県神岡鉱山地下1,000mに設置された50kトン水チェレンコフ検出器。2. 大気・太陽・加速器・超新星ニュートリノを観測。3. 1998年にμ型ニュートリノ欠損を報告し振動を示唆。4. 高感度PMTと精密水質管理が特徴。5. 現在はアップグレード版のHyper-Kamiokande計画が進行中。
サドベリー・ニュートリノ観測所
1. カナダ・オンタリオ州ニッケル鉱山地下2kmに位置。2. 1,000トンの重水を用いNC/CC/ES反応を同時測定。3. 2001年に電子型不足と全フレーバー一致を実証。4. 太陽ニュートリノ問題を決定的に解決した。5. 後継装置SNO+は0νββ探索や低エネルギーニュートリノ研究を行う。