ニュートリノは、物質を作る最も基本的な粒子の仲間です。電気を帯びておらず、物質との反応が非常に少ないため、厚い岩や地球そのものさえ通り抜けます。「何でも通過する幽霊」と呼ばれることがありますが、本当に一度も反応しないわけではありません。ごくまれに水や氷の原子とぶつかるからこそ、観測できます。

太陽の中心で起きている核融合、宇宙線が大気へぶつかったとき、原子炉や加速器、星が最期に大爆発する超新星などから生まれます。光が外へ出るまで時間のかかる場所からも抜け出せるため、星の内部で何が起きたかを知らせる、特別な便りになります。

反応する確率が小さいなら、観測する場所を大きくし、長く待ち、異なる材料でも確かめます。世界の観測装置は、同じニュートリノを別の方法で見ています。どれか一つが万能なのではなく、得意なエネルギーや見つけやすい出来事が違います。

ニュートリノには電子型、ミュー型、タウ型という三つの種類があり、飛んでいる途中で別の種類へ変わります。これをニュートリノ振動と呼びます。スーパーカミオカンデによる大気ニュートリノの観測は、この変化を示し、ニュートリノに質量がある証拠になりました。梶田隆章氏とアーサー・マクドナルド氏は、この発見につながる研究で2015年のノーベル物理学賞を受賞しています。

現在は、ニュートリノと反ニュートリノの変わり方に違いがあるか、三つの質量がどの順番に並ぶか、超新星の中心で何が起きるかなどを調べています。答えが分かれば、宇宙が物質を多く残し、星や私たちが生まれた理由へ近づけるかもしれません。ただし、可能性と確認済みの事実は分けて読みます。「まだ分からない」は、観測を続けるための大切な現在地です。

電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノという三つの「フレーバー」は、それぞれ電子、ミュー粒子、タウ粒子と関わる反応で名前を付けられています。しかし飛んでいるニュートリノは、三つの異なる質量状態が量子力学的に重なった状態です。進むにつれて各状態の波の進み方が少しずつずれ、観測されるフレーバーの割合が周期的に変わります。これがニュートリノ振動です。

色水が途中で別の色へ化学変化するような話ではありません。出発時の種類、エネルギー、進んだ距離、物質の中を通ったかによって、最後にどの種類として反応する確率が高いかが変わります。振動が起きるには質量状態の間に差が必要です。そのため振動の発見は、標準模型のもともとの形で質量ゼロとされたニュートリノに、少なくとも小さな質量があることを示しました。ただし振動だけでは三つの絶対的な質量そのものは決まりません。

水槽の壁に並ぶ光電子増倍管は、非常に弱い光を電気信号へ変える装置です。光の粒である光子が受光面へ届くと電子が飛び出し、装置の中で電子の数を段階的に増やして測れる信号にします。どのセンサーが何ナノ秒の時刻に反応し、どれほどの電荷を記録したかを組み合わせると、光の輪の中心、粒子の進行方向、反応位置、エネルギーを復元できます。

ミュー粒子は水中を比較的まっすぐ長く進むため、輪郭のはっきりしたリングを作りやすく、電子は何度も枝分かれする電磁シャワーによって、ぼやけたリングを作ります。コンピューターは形の違いを分類しますが、校正用の光源や既知の反応でセンサーの感度を確かめ、人が分析方法と誤差を検証します。外側の検出器は、外から入った宇宙線ミュー粒子を見分ける役割も担います。

スーパーカミオカンデでは2020年から、超純水へガドリニウムを加える段階的な改良が行われています。反電子ニュートリノの反応で生じる中性子をガドリニウムが捕まえると、少し遅れて別の光が出ます。最初の信号と組にして探すことで、過去の超新星が宇宙全体で放った「超新星背景ニュートリノ」を、背景事象から見分けやすくします。

南極のIceCubeでは、深さ約1,450〜2,450メートルの透明な氷へ5,160個の光センサーを埋め、約1立方キロメートルという巨大な体積を使います。高エネルギーのニュートリノが氷と反応して作るミュー粒子は長い「トラック」を、電子型などは光がまとまった「カスケード」を残します。光が届いた順番と量から、もとのニュートリノの方向とエネルギーを推定し、遠い活動銀河核など光だけでは見えにくい激しい天体を探します。

DUNEが使う液体アルゴンでは、反応で生まれた荷電粒子がアルゴン原子を電離させ、電子の細かな道筋を残します。電場で電子を読み出し面へ運び、反応を高精細な三次元像として復元します。水や氷で主にチェレンコフ光を見る方法とは異なり、粒子の短い飛跡や反応の細部を調べやすいのが特徴です。米国フェルミ研究所から約1,300キロメートル離れた地下検出器へ人工ニュートリノを送り、ニュートリノと反ニュートリノの振動を比べます。

大きい装置ほど常に優れているわけではありません。発生源、エネルギー、反応の種類、方向の精度、背景の少なさによって、必要な材料と大きさが変わります。複数の観測法は競争相手であると同時に、互いの弱点を補う共同の目でもあります。

1987年の超新星SN 1987Aでは、光が明るくなる前後に少数のニュートリノが複数の観測装置で捉えられ、星の中心が崩壊する理論を支えました。現在は高エネルギーの候補事象を短時間で世界へ通知し、光、X線、ガンマ線、重力波の望遠鏡が同じ方向を追います。異なる「宇宙の便り」を合わせる研究をマルチメッセンジャー天文学と呼びます。

未解決なのは、三つの質量の正確な値と並び順、ニュートリノが自分自身の反粒子でもあるか、ニュートリノと反ニュートリノの違いが宇宙の物質の多さを説明できるか、超高エネルギー宇宙線を生む天体は何か、などです。観測された差がすぐ宇宙の謎の答えになるわけではありません。装置の偏りと統計の揺らぎを除き、別の実験でも同じ差が出るか確かめます。

専門語では、フレーバーは反応のしかたで分けた三種類、振動は進む間に観測確率が変わる現象、断面積は粒子が反応しやすい度合い、事象は検出器が一回の反応として記録した信号のまとまりです。子供には「見えなかった」ではなく、「何を見れば、通ったと判断できる？」と問いかけると、専門語が観測の手順につながります。

ニュートリノは目で見ることも手でつかむこともできません。そこで「直接見えないものでも、決まった反応が残れば調べられる」という考えから始めます。例えと本物の観測の違いも続けて伝えると、想像と事実を混ぜずに理解できます。

このように説明すると、分かりやすくなります

「ニュートリノは、ほとんど何にもぶつからず、私たちや地球を通り抜ける、とても小さな粒子だよ。だから粒子そのものを写真に撮るのではなく、ごくまれに水や氷と反応したときに生まれる光を待つ。地下に大きな水槽を置くのは、岩でまぎらわしい粒子を減らし、たくさんの水で出会う機会を増やすためなんだ。光がどのセンサーへ何時に届いたかを並べると、見えなかった粒子の向きや種類を考えられる」と説明します。「幽霊のような粒子」という言葉だけで終えず、反応はゼロではないこと、光より速く進むわけではないことまで添えると、専門的な内容にも正確に近づけます。