東京大学宇宙線研究所など、95%の確率でニュートリノのCP対称性が破れていると発表

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T2K実験の概要

東京大学宇宙線研究所(ICRR)などは2017年8月4日、95%の確率でニュートリノのCP対称性が破れていると発表した。90%の確率と示した2016年8月の結果公表から、可能性がさらに高まった。

ビッグバンでは、物質と反物質が同じ数だけ生成されたと考えられている。しかし、物質と反物質は、合わさると消滅してしまうのに、現在の宇宙には反物質はほとんど存在していない。これを説明するには、物質と反物質に性質の違いがあることを意味する「CP対称性が破れている」必要がある。しかし、どの素粒子のCP対称性が破れているかは、小林誠・益川敏英両博士により解明されたクォークを除いて分かっておらず、クォークのCP対称性の破れだけでは、現在の宇宙の成り立ちは説明できないとされている。

一方、ニュートリノは、電子型、ミュー型、タウ型という3種類が存在する。日本では、大強度陽子加速器施設「J-PARC」でミュー型ニュートリノを生成し、スーパーカミオカンデで検出するT2K実験を実施。2013年には、ミュー型ニュートリノが電子型ニュートリノに変化するニュートリノ振動、電子型ニュートリノ出現の検出に成功している。

スーパーカミオカンデ検出器

もし、ニュートリノのCP対称性が破れている場合、「ミュー型ニュートリノが電子型ニュートリノに変化する確率」と「反ミュー型ニュートリノが反電子型ニュートリノに変化する確率」に差が生じる。そして、それぞれのニュートリノの反粒子も検出されており、またT2K実験では、タウ型ニュートリノと反タウ型ニュートリノは対消滅しない環境だ。そのため、スーパーカミオカンデでニュートリノのCP対称性の破れを検出することができる。

ニュートリノ振動に現われうるCP対称性の破れ

研究グループは今回、2016年8月時の公表に使用した2010~2016年のデータに2016年10月〜2017年4月のデータを新たに加えて算出。また今回は、J-PARC加速器のビーム強度を上げることで2倍のニュートリノビームを生成可能になり、スーパーカミオカンデでのニュートリノの検出効率も約30%向上している。結果、CP対称性の破れがない場合は、約67個と予想される電子型ニュートリノが89個観測され、約9個と予想される反電子ニュートリノは7個観測された。これを基に総合的に解析することで、95%の信頼度でニュートリノにCP対称性の破れがあることを明らかにした。

T2K実験での観測数と予想値の比較

今後も、データ取得を進め、これまで取得したデータの約9倍を収集する計画だ。そして、これにより、ニュートリノにおけるCP対称性の破れが大きい場合には信頼度を99.7%まで高められると説明している。

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