サウスダコタ州デッドウッド近郊の廃金鉱山で、世界最大とも言える科学実験の建設が始まった。私は、このプロジェクトの設計と運営のために集まった約1,000人の科学者からなる国際チームの一員だ。このプロジェクトとは、深部地下ニュートリノ実験（DUNE）であり、宇宙で最も豊富でありながら捉えがたい物質粒子を研究することを目的としている。
これにより、物質の起源を理解し、宇宙の仕組みに関する科学のモデルを完成させるために、一歩近づけるかもしれない。そのため英国政府は現在、プロジェクトに6,500万ポンドを拠出することを約束し、米国に次ぐ第2位の拠出国となった。
私のような素粒子物理学者がニュートリノに魅了されるのは、その特異な性質が、宇宙の構造を説明し得る現象と直接結びついている可能性があるからだ。ニュートリノは、基本粒子の一つであり、それ以上分解できない。どこにでも存在する一方、質量がほぼなく、電荷を持たず、他の粒子とほとんど相互作用しないため、捉えるのは非常に難しい。
毎秒、約1,000億個のニュートリノが指先を通り抜けるが、そのほとんどは何の痕跡も残さず地球を通過する。これらのニュートリノの大半は、太陽を動かす核反応に由来する。大気に衝突する宇宙線や、爆発する恒星からもニュートリノが生じる。また、宇宙誕生の直後にも大量に生成された。
つまり、ニュートリノを研究し、その対応する粒子である「反ニュートリノ」と比較すれば、宇宙の始まりに何が起きたため、反物質ではなく物質が大半を占める宇宙になったのかを解明できるかもしれない。ニュートリノの検出を目的とする実験は、陽子が崩壊するかどうかを調べる助けにもなる。これは、物理学における力の大半を「大統一理論」を用いて説明できるという一部の科学者の考えを裏付ける重要な証拠となる。
このため、DUNEは米国イリノイ州にあるフェルミ国立加速器研究所から、地下を通る全長1,300kmの経路に沿ってニュートリノのビームを発射し、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設へ届ける。比較すると、ヒッグス粒子の発見に使われた円形の大型ハドロン衝突型加速器の周囲長はわずか27kmだ。ただし、DUNEの粒子は、特別に建設されたトンネルではなく地中を進む。
ニュートリノの検出
ニュートリノには「フレーバー」と呼ばれる3つの種類がある。電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノだ。フェルミ研究所を出発するニュートリノの大半はミューニュートリノだが、移動中に変化、つまり「振動」することがある。この振動を検出することで、ニュートリノの性質や宇宙における役割について、確かな答えが得られる。
ニュートリノは、特定の液体に接触したときに生じる光や電荷、粒子の種類を記録することで検出できる。ニュートリノが到達すると、それぞれのフレーバーに対応する粒子が生成される。たとえば、電子ニュートリノは電子を、ミューニュートリノはミューオンを生成する。電子を検出できれば、ミューニュートリノが移動中にフレーバーを変えたことがわかる。
DUNEでは、液体アルゴンをそれぞれ10,000トン収容し、温度を-186℃に保った大型タンクを4基使い、ニュートリノを検出する。小規模だったり、水を満たしたタンクを使ったりしていた従来の実験より、はるかに高い精度で検出できる。この実験は地下約1マイルで行う必要がある。地球に降り注ぐ宇宙放射線が偽のニュートリノ信号を生み、検出器を圧倒するのを防ぐためだ。
この方法によって得られる非常に高い感度は、宇宙から届くニュートリノのバーストの検出にも役立つ。たとえば1987年、近傍の恒星が爆発（超新星）し、世界中のニュートリノ検出器が記録したニュートリノ事象は合計25件だった。同様の超新星が起きれば、DUNEは約10秒の間に数千件のニュートリノ散乱を観測できる。こうしたニュートリノパルスの成分と時間構造を分析すれば、超新星とニュートリノの性質に関する理解が大きく変わるだろう。
反物質の謎を解く
こうした研究は、ニュートリノの質量など、いくつかの重要な問いに答える助けになるはずだ。ニュートリノは非常に小さいため、その質量は他のほとんどの素粒子と同じようにヒッグス粒子によって生じるのではなく、ヒッグス粒子は最近、大型ハドロン衝突型加速器によって発見された。むしろ、ニュートリノの質量は、非常に重く、生成後すぐに崩壊する相方のニュートリノに由来する可能性がある。
こうした相方のニュートリノは、宇宙初期の進化において重要な役割を果たし、宇宙に反物質より物質がはるかに多く存在する理由の解明にも役立つかもしれない。またDUNEは、ニュートリノとその反物質に当たる反ニュートリノが同じように振る舞うかどうかを調べ、物質が優勢であることを示すさらなる証拠をもたらす。
検出器には大量のアルゴンが含まれ、多くの陽子があるため、DUNEは陽子崩壊を探す実験としても理想的だ。すべての基本粒子を説明する現在の物理学の「標準模型」では、陽子が崩壊することはあり得ない。しかし、重力を除く宇宙のあらゆる力を説明するために科学者たちが構築している大統一理論の多くは、陽子が非常にゆっくりと崩壊すると予測している。
これまで陽子崩壊の証拠は見つかっていない。しかし、もし崩壊が起きるなら、DUNEは液体アルゴン中でそれを検出し、ミリメートル単位の精度で位置を特定できるはずだ。これは、大統一理論のいずれかが正しいかどうかを確かめる助けになり、物質が反物質より優勢であることについて、さらなる手がかりをもたらす可能性もある。
新たな資金と、世界各地の科学者による協力によって、DUNEで2024年に最初の事象を記録する見通しが立つ。つまり、今後10年以内に、宇宙最大の謎のいくつかを解明できるかもしれない。
