日本のT2K実験とアメリカのNOvA実験に参加した数百人のトップ科学者が共同で画期的な研究結果を権威ある国際学術誌ネイチャーに発表した。世界トップクラスの2つのニュートリノ研究チームが初めてデータの統合と解析に成功し、飛行中のニュートリノの「振動」についてこれまでで最も正確な測定データを取得した。

この歴史的な共同作業は、素粒子物理学研究における重要な一歩を示すだけでなく、なぜ私たちの宇宙が反物質ではなく物質で満たされているのかという究極の科学的謎を裏付ける新たな証拠も提供します。

この共同研究は、ミシガン州立大学の物理学および天文学の教授であり、T2K協力組織の共同スポークスマンであるケンダル・マーン氏をはじめとする多くの科学者によって共同主催され、米国エネルギー省から強力な支援を受けました。科学者らは、既存の標準的な宇宙論モデルによれば、ビッグバンの開始時に物質と反物質は正確に同量生成されるはずだと指摘している。しかし、物理法則によれば、互いに対応する物質と反物質は衝突すると完全に消滅し、純粋なエネルギーに変換されます。もしこのプロセスが完全に対称的であれば、今日の宇宙には実体は存在せず、星や惑星、生命そのものも存在できなくなるでしょう。したがって、この対称性を破る何らかのメカニズムが存在するはずです。物理学者はそれを「電荷共役パリティ反転対称性違反」(つまり、CP 違反)と呼びます。そして、小さくて謎のニュートリノがこの突破口を見つける鍵となります。

ニュートリノは、宇宙で最も豊富に存在するものの、最もとらえどころのない素粒子の 1 つです。ミシガン州立大学の博士研究員であるジョセフ・ウォルシュ氏は、毎秒数兆個のニュートリノが人体を通過するが、その質量が極めて小さく、他の物質と相互作用することはほとんどないため、ニュートリノの大部分は直接「貫通」すると説明した。それらを観察するには、科学者は高強度粒子源と巨大な地下検出器を構築する必要があります。過去数十年にわたって、物理学者たちは、ニュートリノには質量があり、輸送中にあるタイプ（「フレーバー」）から別のタイプに変化する可能性があること、つまり「ニュートリノ振動」として知られる現象を実証してきました。ニュートリノとそれに対応する反ニュートリノが振動挙動に違いを示せば、宇宙における物質の支配の謎を解く鍵となる可能性がある。

この国境を越えた協力は、2 つの主要な実験の独自の利点を巧みに組み合わせています。日本で実施されているT2K実験（正式名称「東海からカミオカンデ」）は、茨城県東海村にある大強度陽子加速器研究パーク（J-PARC）から生成されたミューニュートリノビームを発射し、295キロメートルの地層を通過して岐阜まで到達する。県飛騨市神岡町のスーパーカミオカンデ検出器。そして、米国のNOvA実験は、シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所からニュートリノビームを放射し、それをミネソタ州北部の巨大検出器まで810キロメートル伝送する。 2 つのプロジェクトは同じ科学的問題の解決を目的としていますが、使用するビーム エネルギーと伝送距離が大きく異なります。 8 年間の NOvA 観測データと T2K からの 10 年間蓄積されたデータを組み合わせることで、科学者は補完的な技術的特徴を活用し、関連する物理パラメータの測定精度を大幅に向上させることができました。

ニュートリノ振動プロセスの理解を深めることに加えて、共同解析はニュートリノ質量秩序問題に対する新たな制約も提供します。科学界は、ニュートリノが 3 つの質量状態で存在することを知っていますが、その質量が配置される順序 (つまり、「正常な順序」または「逆の順序」) はまだ明らかにされていません。共同研究の結果は、将来の実験でニュートリノが逆質量秩序に従うことが確認された場合、既存の共同データがCP破れ現象の強力な支持証拠を直接提供することを示している。最終的に正常な質量秩序であることが確認された場合、ニュートリノがCP対称性を破るかどうかを定義するには、より多くのデータを蓄積する必要があるでしょう。

東半球と西半球にまたがるこの共同研究は、非常に高いレベルの国際的な科学研究協力を示しています。 NOvA プロジェクトには 8 か国と 49 の科学研究機関から 250 名以上の専門家が集まり、T2K プロジェクトには 15 か国と 75 機関から 560 名以上のメンバーが参加しています。 2019年にデータ共同計画を開始して以来、両当事者は異なる実験環境、検出技術、分析ツール間の違いの壁を乗り越えてきました。科学者らは、この結果はニュートリノの究極の謎をすべて完全に解明したわけではないが、次世代の素粒子物理学実験のための強固な基盤を築いただけでなく、チーム間およびデバイス間でのデータ融合が単一の実験では比類のない科学的価値を生み出すことができることを証明することに成功したと述べた。現在、両チームは観測データの収集を継続し、次の段階の共同解析に向けた準備を始めている。