【本学研究者情報】

〇ニュートリノ科学研究センター　教授　井上邦雄
研究者ウェブサイト

【発表のポイント】

• ニュートリノ^注1振動実験により電気を帯びない素粒子ニュートリノに質量があることがわかっている。ニュートリノはフェルミ粒子の一種であるが、電子などと同じディラック粒子^注2とは違い、粒子・反粒子が同じ性質をもつマヨラナ型フェルミ粒子(マヨラナ粒子)^注3である可能性があり、その検証が最重要課題に挙げられている。
• ニュートリノがマヨラナ粒子である場合に起こる稀な崩壊 「ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊^注4」の探索を行い、崩壊の半減期に対して世界で最も厳しい制限を与えた。
• 同分野の競合実験が完全探索を目標としている「マヨラナニュートリノ質量の逆階層領域」を世界に先駆けて検証し始めており、本実験でのマヨラナニュートリノの発見が期待される。

【概要】

私たちの住んでいる宇宙が始まった直後は粒子と反粒子が同じ数だけ生成されたとされていますが、今の宇宙は粒子でできています。この謎を「物質優勢宇宙の謎」といい、粒子・反粒子の区別がないマヨラナニュートリノは、その解明の手がかりであると考えられています。

東北大学ニュートリノ科学研究センターを中心に、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構などの研究機関から構成される国際共同実験グループのプロジェクトKamLAND-Zen（カムランド禅）は、反ニュートリノ検出器「カムランド^注5」で観測したデータを分析し、マヨラナニュートリノが存在することで見える信号の崩壊半減期を90%の信頼度で2.3×10²⁶年以上と、これまでより2倍以上の精度で予測しました。この結果からマヨラナニュートリノの質量が、36-156ミリ電子ボルトより小さいことが分かりました。本成果では2019年の検出器大型化アップグレード以降初めて観測結果を公開しました。

研究グループは、同分野の実験コミュニティが将来の計画で完全探索を目標としている「逆階層(約15-50ミリ電子ボルト)」での検証を世界に先駆けて始めています。この領域には、マヨラナニュートリノの存在を予言する理論の予測値が少なくとも３つあるなど、近い将来、本実験によりマヨラナニュートリノが発見されると期待されます。

本研究成果は2023年1月30日（米国東部時間）に米国物理学会が発行するPhysical Review Letters（電子版）に掲載されました。また、特に注目すべき成果として Editor's suggestion と American Physics Society の Featured in Physics (VIEWPOINT)にも選出されています。

【用語解説】

注１　ニュートリノ
現在、これ以上細かく分けることができない粒子とされる素粒子の中の一種で、電荷を持たない素粒子。物質を構成するフェルミ粒子ではあるが、電子などとは違ってほとんど他の粒子と反応しないため、ゆうれい粒子などと呼ばれる。ニュートリノ振動によって非常に小さな質量があることがわかっているが、質量の大きさや順番などは不明と、まだ謎も多い。

注２　ディラック粒子
英国の物理学者ポール・ディラックが1928年に提唱したディラック方程式で記述される粒子。物質を構成する素粒子の一つである電子などがこのディラック粒子に当たる。ディラック粒子は、粒子と同じ質量をもち、電荷などの性質が反対の反粒子を持つ。

注３　マヨラナ粒子
マヨラナ粒子は、イタリアの物理学者エットーレ・マヨラナが1937年に提唱したフェルミ粒子のもう一つの記述で、粒子自身がその反粒子となるという特別な性質を持つ。

注4　二重ベータ崩壊
一つの原子核の中で２つのベータ崩壊が同時に起こる現象。ベータ崩壊が制約される限られた原子核で起こる。崩壊の寿命が10の18乗から24乗年以上と非常に長い。電子２つと反電子ニュートリノ２つを放出する。ニュートリノがマヨラナ粒子であれば、電子２つだけを放出する特別な崩壊も許される。

注5　カムランド
岐阜県飛騨市神岡鉱山の山頂から地下1000 mのカミオカンデの跡地に建設された反ニュートリノ検出器。直径18 mの球形タンクの中に1キロトンの液体シンチレータが入っている。液体シンチレータは、ニュートリノなどの素粒子と反応して光る。1879本取りつけられた直径約50 cmもある電球のような形の光検出器(光電子増倍管)で、その光を検出する。

詳細（プレスリリース本文）※2023年2月2日に訂正版へ差替え

※以下のとおり訂正いたしました。
・1ページ目【発表のポイント】
修正前：ニュートリノ^注1振動実験により電気を帯びない素粒子ニュートリノに質量があることを証明した。ニュートリノはフェルミ粒子の一種であるが、電子などと同じディラック粒子^注2とは違い、粒子・反粒子が同じ性質をもつマヨラナ型フェルミ粒子（マヨラナ粒子）^注3であると示唆した。
修正後：ニュートリノ^注1振動実験により電気を帯びない素粒子ニュートリノに質量があることがわかっている。ニュートリノはフェルミ粒子の一種であるが、電子などと同じディラック粒子^注2とは違い、粒子・反粒子が同じ性質をもつマヨラナ型フェルミ粒子(マヨラナ粒子)^注3である可能性があり、その検証が最重要課題に挙げられている。

問い合わせ先

（研究について）
東北大学ニュートリノ科学研究センター　
担当　井上邦雄、清水格
電話　022-795-6727,0578-85-0030
E-mail inoue*awa.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道について）
東北大学ニュートリノ科学研究センター　
担当 渡辺寛子
電話　022-795-6727
E-mail hiroko*awa.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）