約140億年前、想像を絶する高エネルギーの爆発によって宇宙が誕生しました。そのエネルギーから粒子が出現し始め、同時に反粒子も出現しました。反粒子はいわば邪悪な双子、つまり正反対の電荷を持つ鏡像のような存在です。科学者たちは、すべての粒子には反粒子が存在し、それらはエネルギーの爆発によって互いに消滅すると信じています。ほとんどの粒子は、この初期の時代に反粒子の手によって消滅しました。
ほとんどの粒子は消滅したと私は言った――だが、全てではない。少量の物質は反物質の上に残り、それが凝縮して銀河、恒星、惑星、そして最終的には人類となった。中には疑問を抱く者もいた。「物質と反物質の違いは一体何だったのだろうか？物質が優勢だったとは。あるいは、一言で言えば、なぜ我々はここにいるのか？」
今日、多くの物理学者は、宇宙で最も豊富な物質粒子であるニュートリノ（別名「ゴースト粒子」）の奇妙な挙動のおかげで、その疑問の答えへと導く道しるべを見つけたと考えています。検出が難しいニュートリノは奇妙な正体反転プロセスを起こすようで、この反応がニュートリノと反ニュートリノで異なる方法で起こるとすれば、ニュートリノ振動と呼ばれるこのプロセスは、物理学者が物質が反物質よりも優勢である理由を説明するのに役立つ可能性があります。過去数十年にわたる成功した粒子探索とは異なり、ニュートリノ物理学は未知への旅であり、米国の物理学コミュニティはそれを全力で追求することを選択しました。LBNF/DUNEと呼ばれる20億ドル規模の旗艦実験が、数十年以上かかる可能性のある答えを求めて探索を先導します。
「素粒子物理学の本質が、まさに変化しつつあると思います」と、フェルミ国立加速器研究所の研究副所長、ジョー・ライケン氏はギズモードに語った。「長い間、素粒子物理学は新しい粒子を生み出し、その成果でノーベル賞を獲得することに集中していました。それはそれで良いのですが、結局のところ、科学者としての私たちの仕事は、宇宙の基本的なプロセスとその仕組みを理解することです。… 膨大な粒子のリストにさらに粒子を追加することではなく、宇宙が根本的にどのように機能し、今日私たちが目にしているものを生み出しているのかを理解することなのです。」
素粒子物理学の実験は、コストコほどの倉庫の中に、パイプや電線が四方八方に伸びる巨大で鮮やかな色の塊のように見えるのが常だ。しかし、ジュネーブのCERNキャンパスにあるProtoDUNE検出器は、その殺風景さが私にとって際立っていた。中が空洞の赤い鋼鉄の立方体が2つあり、それぞれ家ほどの大きさで、地面深くまで伸びており、その上に立つエンジニアたちを矮小化している。2017年の私の訪問後、空の容器にはそれぞれ800トンの液体アルゴンが充填される予定だった。
ニュートリノはほとんどの物質を衝撃もなく通り抜けるため、ほとんどの実験では検出されません。ニュートリノを探す検出器はすべて、同様の概念を繰り返しています。つまり、想像できる最大の容器に水や液体アルゴンなどの検出媒体を満たし、まれにニュートリノの相互作用が起こるのを待ちます。水の検出器では、ニュートリノが一部の水分子と相互作用して粒子を生成します。この粒子は、光が水中を移動する速度よりも速く移動する際に、検出可能な小さな閃光を発生させます。液体アルゴンの検出器では、ニュートリノの一部がアルゴン原子核媒体と相互作用して粒子を生成し、この粒子が原子から電子をはじき飛ばします。電子は、粒子検出要素を含む電荷を帯びた表面の方向に漂います。これらの検出器によって収集されたデータとタイミング情報から、研究者はニュートリノがどこから来たのか、そのエネルギーと正体について知ることができます。
CERNの物理学者ステファニア・ボルドーニ氏と共にProtoDUNEを見下ろすプラットフォームに立った時、これらの巨大な立方体は、実験に使われる2基の検出器のうち大きい方のDUNE遠距離検出器のほんの一部に過ぎないことに気づいた。これらは、製造装置の動作確認と、2種類の異なる検出技術の試験のための試作機だった。DUNE遠距離検出器は、サウスダコタ州リードにある廃坑となったホームステイク貴金属鉱山の地下4,850フィートに4基のユニットを建設し、計68,000トンの液体アルゴンを貯蔵するProtoDUNEを最終的に凌駕することになるだろう。
しかし、物理学の最も広く受け入れられている理論によれば、それはそのようになるはずではなかったのです。
物理学者ヴォルフガング・パウリは、ベータ崩壊と呼ばれる放射性崩壊過程におけるエネルギー損失を説明する方法として、1930年に初めてニュートリノ理論を提唱しました。原子核が電子を放出する際、原子は電荷を持たない粒子の形でエネルギーも放出しなければなりません。彼はそれを中性子と名付けました。物理学者ジェームズ・チャドウィックは2年後、原子核内ではるかに重い中性粒子を発見し、この粒子も中性子と名付けました。そこで物理学者エドアルド・アマルディとエンリコ・フェルミは、イタリア語で「小さい」を意味する接尾辞「-ino」を用いて、より小さな粒子をニュートリノと呼ぶようになりました。 1956年になって初めて、物理学者のフレデリック・ラインズとクライド・コーワンが原子炉内でニュートリノを発見しました。彼らは、ニュートリノの反粒子である反ニュートリノが陽子と相互作用して中性子と、電子の反粒子である陽電子を生成するのを観察しました。
実験はニュートリノに関する知識をさらに深め続けました。ブルックヘブン国立研究所の物理学者たちは、ミューオン（電子に近い重い粒子）と相互作用するニュートリノを発見し、ミューオンニュートリノと名付けました。また、さらに重いニュートリノフレーバーであるタウニュートリノの存在を理論化した研究者もおり、これは最終的に2000年にイリノイ州のフェルミ国立加速器研究所で発見されました。
ニュートリノに何か奇妙なものがあるという兆候は、1970年代に現れ始めました。物理学者レイモンド・デイビス・ジュニアは、ドライクリーニング用の化学物質であるパークロロエチレンで満たされた10万ガロンのタンクを用いた実験を主導しました。このタンクは、ホームステイク鉱山の地下4,850フィートに建設され、宇宙からの粒子から保護されていました。この実験では太陽ニュートリノが検出されましたが、その数は予想数の約3分の1に過ぎませんでした。その後の探査は1998年まで続けられ、日本のスーパーカミオカンデ（スーパーカミオカンデ）実験で、大気ニュートリノがフレーバー間で振動する可能性があることが発見されました。2001年には、カナダのサドベリー・ニュートリノ観測所が太陽ニュートリノのニュートリノ振動を発見しました。ニュートリノ振動が意味を成すためには、ニュートリノが質量を持つ必要がある。これは、2012年に発見されたヒッグス粒子など、他の基本粒子の存在を予測した理論である素粒子物理学の標準モデルの予測に反する。
「ニュートリノ振動現象はニュートリノが質量を持つことを示唆しており、実験室で観測された標準模型を超える唯一の現象です」と、ストーニーブルック大学の物理学・天文学の特別教授であるチャン・キー・ジョン氏はギズモードに語った。素粒子物理学者は、暗黒物質など、宇宙の未解明の部分を説明するために、常に標準模型の穴を探している。したがって、標準模型では質量を持たないと予測されているニュートリノが質量を持つことは、これらの謎の一部を解明する糸口となる可能性がある。
1999年、ニュートリノ物理学コミュニティは、ユングが主導する3日間にわたる「次世代核子崩壊およびニュートリノ検出器」ワークショップをストーニーブルック大学で開催し、理論家と実験家が今後の展望について議論しました。物理学者たちは、5万トンのスーパーカミオカンデよりもさらに巨大で先進的な検出器を夢見始めました。その後数年かけてアイデアが具体化し始め、物理学者カルロ・ルビアが提案した「単相」液体アルゴン検出器の設計、そして彼の息子アンドレ・ルビアが提案した液体アルゴンと気体アルゴンの両方を充填した「二相」設計が物理学者たちの間で検討され始めました。複数の物理学者グループが様々な施設で大規模な地下ニュートリノ検出プロジェクトを考案し、国立科学財団（NSF）は、ニュートリノ物理学だけでなく、その他の極限科学・工学プロジェクトも含む深部地下科学工学研究所（DUSEL）の設置計画を公募しました。最終的にホームステイクの敷地に決定しましたが、NSFの政策を統括する国立科学委員会（NSF）は、このプロジェクトを中止することを決定しました。
一方、米国の物理学界は、もう一つの巨大実験、国際リニアコライダー（ILC）の建設を検討していました。しかし、最終的にILCも却下され、米国が数十億ドル規模の旗艦物理学実験を行うことができたはずの空白が残されたとユング氏は述べています。2003年の報告書によると、その頃には、ホワイトハウスの科学技術政策局と米国科学アカデミーは、ニュートリノ物理学の重要性と、それを研究するための地下研究所建設の重要性を認識し始めていました。「地下深くの研究所は、ニュートリノの基本的な特性と素粒子を支配する力についての理解を深め、宇宙を束ねる暗黒物質の性質を解明する新世代の実験を収容することができます。ニュートリノに関する近年の発見、新しいアイデアと技術、そして米国に存在する科学的リーダーシップにより、このような比類のない施設を建設する機が熟しています。」
ILCが空洞化し、DUSELが不在であることを認識し、米国エネルギー省は地下ニュートリノ物理プログラムを引き継ぐことを決定しました。2007年までに、物理学者たちは長基線ニュートリノ実験（LBE）の様々な設計を含む研究成果を発表し始めました。これは改良された粒子加速器で、ニュートリノビームを地球から約800マイル（約1300キロメートル）離れた地点まで送り込み、地下深くの検出器に衝突させます。物理学者たちは、この距離であれば、加速器から出て遠方の検出器に到達するまでの間にニュートリノがフレーバーを変える様子を捉えられると期待していました。
この実験装置は、電荷・パリティ（CP）対称性の破れ、つまり物質と反物質が異なる挙動を示す現象を観測する方法も提供する。粒子加速器で生成されたミューニュートリノが、反ニュートリノの場合とは異なる速度で電子ニュートリノとして後端検出器に到達すれば、ニュートリノ物理学者はニュートリノと反粒子が異なることを確認できるだろう。
https://gizmodo.com/the-quest-for-the-most-elusive-material-in-physics-1833846121
唯一の問題は、物理学者たちが電子ニュートリノが実際に検出器に現れるかどうかわからなかったことだ。
2012年までに、物理学者たちはニュートリノ振動に関するかなり確固たる理論を構築し、振動挙動を記述する多くのパラメータを考案しました。しかし、これらの数値の中で最も知られていないのが「θ13」、つまりシータ1-3と呼ばれる数値でした。ニュートリノ物理学の未来はこの数値にかかっていました。
「もしそのパラメータがゼロだったら、電子ニュートリノの出現は事実上なかったでしょう」と、DUNEの物理コーディネーターであるエリザベス・ウースター氏は語った。「ミューニュートリノが電子ニュートリノに振動する確率はほぼゼロだったでしょう。ですから、これらの（提案された）実験はどれもニュートリノ振動を観測できなかったはずです。」
2011年後半から、中国深圳にある大亜湾原子力発電所の近くと遠くに設置された6台の検出器が、ニュートリノが消えるのを待ち構えていました。これらの検出器は電子ニュートリノの測定のみを目的として設計されていました。つまり、ニュートリノが振動すると、ニュートリノの性質が変化するため、近くの検出器は遠くの検出器よりも多くのニュートリノを検出することになります。この消失により、物理学者はシータ1-3パラメータの値を計算できるようになります。
2012年4月、ダヤベイチームは期待を上回る結果を発表しました。電子ニュートリノが消失しただけでなく、シータ1-3の計算値が驚くほど高かったのです。これは、物理学者がフェルミ国立加速器研究所のニュートリノビームとホームステイク鉱山の検出器間の800マイル（約1300キロメートル）の距離でニュートリノの振動を観測できることを意味し、このような実験によってニュートリノがCP対称性を破るかどうかを確かめることができることを意味しました。
「一目見て明らかだったので、人々は完全に驚いていました」とウースター氏は語った。
T2K実験（ニュートリノビームをスーパーカミオカンデ検出器に導く実験）のような他の実験では、逆の効果、すなわち検出器に突然ニュートリノが現れるという現象が測定されました。ニュートリノ研究コミュニティは、夢のニュートリノ実験を実現しようと準備を進めていました。素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネル諮問委員会は、2014年の報告書で長距離ニュートリノ実験の重要性を強調し、長基線ニュートリノ実験はすぐにフェルミ国立加速器研究所を拠点とする国際共同研究へと発展しました。この共同研究は深部地下ニュートリノ実験（DUNE）となり、現在はLBNF/DUNE（LBNFは長基線ニュートリノ施設の頭文字）と呼ばれています。
鉱山側は、このような大規模プロジェクトに向けて、掘削前の準備段階をすでに開始しています。最終的には、エンパイア・ステート・ビル2棟分以上の重さの岩石を掘削することになり、それを竪坑道に運び、ベルトコンベアに流して旧採掘場に投棄する必要があります。また、旧ホームステイク鉱山跡地にあるサンフォード地下研究施設の科学連携ディレクター、ジャレット・ハイズ氏がギズモードに語ったところによると、旧鉱山の換気システムとインフラを改修し、少なくとも144人（あるいはそれ以上）が同時に研究室に収容できるようにする必要があるとのことです。
https://gizmodo.com/how-to-make-a-black-hole-in-a-science-lab-1838674389
一方、フェルミ国立加速器研究所では、加速器のアップグレードが進行中です。コンクリートブロックの裏にある倉庫で、科学者たちは物理実験装置の列のような作業に取り組んでいました。銅色のパイプと無数のワイヤーが、陽子のパルスを加速する共振器や磁石などの部品を囲んでいます。最終的に、この装置は全長820フィート（約240メートル）の新型直線型粒子加速器「陽子改良計画II」となり、フェルミ国立加速器研究所の既存の粒子加速器群に陽子を送り込みます。最終的に、強力な陽子ビームが標的に衝突し、ニュートリノを生成する粒子が生成されます。生成されたニュートリノはまず前置検出器を通過し、ビーム内のニュートリノの構成を特徴付け、ニュートリノが物質とどのように相互作用するかを測定します。そこから、ニュートリノは後置検出器へと移動します。 CP対称性実験の中核は、ニュートリノと反ニュートリノの両方について、近傍検出器と遠方検出器のニュートリノビームの構成を比較することです。
施設で科学研究が始まると（2020年代後半にデータ収集を開始する予定）、物理学者たちはLBNF/DUNEが究極のニュートリノ実験となり、米国初の高エネルギー物理学施設となることを期待していると、米国エネルギー省の科学担当次官、ポール・ダバー氏がGizmodoに語った。ニュートリノと反ニュートリノの振動を比較するだけでなく、ニュートリノの質量に関連する別の謎を解こうとする。ニュートリノのフレーバーが3つあるだけでなく、m1、m2、m3と呼ばれる3つの質量があり、この3つの質量は3つのフレーバーときれいに一致しない（量子力学のせいだ）。科学者たちは、m3がm1やm2よりも重いか軽いかを解明したいと望んでおり、これは初期宇宙で粒子がどのように振る舞ったかを解明する上で重要な意味を持つ。さらに、物理学者たちは「右巻きニュートリノ」と呼ばれる新しい種類の粒子の理論を立てました。これはニュートリノに質量を与えるメカニズムを示唆し、物質が反物質よりも多い理由を解明する一助となる可能性があります。さらに、既存の実験では、ステライルニュートリノと呼ばれる4番目の種類のニュートリノの存在を示す兆候が既に示されています。物理学者たちが幸運であれば、今世紀のどこかの時点で私たちの銀河系で超新星爆発が起こり、DUNEはそこから発生するニュートリノを検出できるでしょう。
これだけの作業をしても、「なぜ物質の方が反物質より多いのか？」という問いに対する決定的な答えは得られないでしょう。DUNEがCP非対称性を測定すれば、少なくとも科学者が正しい方向に進んでいるという強力な論拠となるだろうと、シカゴ大学物理学教授でDUNE共同スポークスマンのエドワード・ブルッハー氏は米Gizmodoに語りました。DUNEはニュートリノと反ニュートリノの振動の仕方の違いに極めて敏感になり、2つのプロセスが異なるかどうかを実証できるようになると期待されています。つい最近、T2Kコラボレーションは、2つが確かに異なることを示唆する測定値を発表しました。しかし、1967年に物理学者アンドレイ・サハロフは、物質と反物質の量の間に観測可能な差を生み出すためには実際には3つの条件を満たす必要があり、CP対称性の破れはその3つのうちの1つに過ぎないと提唱しました。物理学者たちは、陽子の崩壊やニュートリノの対消滅のように、陽子やニュートリノの核となる特徴の一部が変化するような他の過程の探索にも取り組んでいます。これらの発見は、観測された存在量の違いを実際に予測する宇宙進化モデルにも当てはまるはずだと、英国ダラム大学の物理学教授シルビア・パスコリ氏は以前、ギズモードに語っていました。
「私たちはなぜここにいるのか？」という問いに答えるには、おそらく数十年、あるいはそれ以上かかるだろう。もしかしたら、答えを知ることは永遠に不可能かもしれない。もしかしたら、宇宙は最初から、何の理由もなく、同じ量の物質と反物質を作り出すことを望んでいなかったのかもしれない。
しかし、それこそがLBNF/DUNEの特別な点です。科学者たちは、最適化された機械を用いて未知の世界に真っ向から飛び込んでいるのです。そしてLBNF/DUNEの物理学者たちは、自分たちの生きている間には終わらないかもしれない長いゲームを繰り広げていることを認識しています。
「宇宙の起源にまつわる大きな疑問こそが、私たちの多くが物理学に惹かれた理由だと思います。そして、それは重要であり、なぜ私たちがこれらの測定を行いたいのかを説明する方法の一部でもあります」とウースター氏はギズモードに語った。「しかし、私たちの日々の最大の仕事は、『生徒のコードがコンパイルされない。どう修正すれば動作するか』ということです。」大きな疑問にはより多くの資金が投入されるが、こうした取り組みは、検出器の部品を組み立てたり、小さな疑問に答えるためのツールを開発したりすることで、科学的に興味深いより小さな問題に分割され、より大きな疑問に少しずつ取り組んでいく。
https://gizmodo.com/searching-for-dark-matter-with-quantum-computers-one-b-1841476625
もちろん、これほど大規模なプロジェクトを構築する理由は他にもたくさんあります。LBNF/DUNEは、CERNのように、世界的な物理学協力を促進する国際的な実験となります。スーパーカミオカンデの後継機であるハイパーカミオカンデと競合し、CP対称性の破れを2回独立に測定します。そして、他の主要な加速器プロジェクトと同様に、物理学以外の新しい技術が必然的に副次的に生まれます。これらの進歩は、がん治療に用いられるより優れた粒子加速器の開発につながる可能性があり、粒子加速に用いられる高周波空洞は、将来的には量子コンピューティングに役立つかもしれません。
結局のところ、この実験は素粒子物理学の標準模型における未踏の亀裂を探る試みと言えるでしょう。2012年にCERNの2つのチームがヒッグス粒子を発見した時、ヒッグス粒子は一つの時代の終焉を告げました。ヒッグス粒子は既知の物理法則によって既に予言されていた粒子であり、ほとんどの物理学者はいずれ発見されるだろうと期待していました。
しかし、ニュートリノに関しては、十分な規模の実験を構築できれば答えが見つかるとは限らない。物理学者たちがLBNF/DUNEで何を発見しようとも、それは新たな発見であり、標準模型では説明できなかった未解決の事例の解決に一歩近づく可能性を秘めている。まさに、ニュートリノ科学は未知なるものの瀬戸際に立たされているのだ。
