三つのニュートリノ検出器が下した一つの判定

ニュートリノには三つの種類があり、飛んでいくあいだに種類が別の種類へと変わる。これを振動という。大気ニュートリノは、この現象を示すうえで、そしてニュートリノに質量があることを確立するうえで中心的な役割を果たした。しかし、その質量について基本的な問いが一つ残っている。質量の順序だ。3番目の質量状態は三つのうち最も重いのか(「正常」順序)、それとも最も軽いのか(「逆」順序)。

著者らによれば、この答えはニュートリノだけの問題ではない。ニュートリノが「マヨラナ粒子」である可能性という深い未解決問題にかかわり、さらに現在のところ正常順序を支持している宇宙論的な測定ともつながっている。

三つの検出器、一つのフィット

ハーバード大学のミャオチェン・ジン(Miaochen Jin)とカルロス・アルゲーリェス(Carlos Argüelles)は、パブロ・フェルナンデス=メネンデス(Pablo Fernández-Menéndez、サンティアゴ・デ・コンポステーラ)、イバン・マルティネス=ソレル(Iván Martínez-Soler、マドリードおよびダラム)とともに、同じニュートリノを観測している三つの検出器の公開データを組み合わせた。

• スーパーカミオカンデ:日本の鉱山にある5万トンの水を使った検出器。純水期間のデータすべて、6511日分の観測。
• アイスキューブ・ディープコア(IceCube-DeepCore):南極点の氷の深さ1450〜2450メートルに埋め込まれた検出器の高密度な中心部。8年分のデータ。
• KM3NeT/ORCA:地中海でまだ建設中の検出器。最初の6本の検出ラインによる510日分、5828事象。

これまでの統合解析は、公表された結果を単純に足し合わせていた。今回は、すべての事象サンプルを一度にフィットしている。三つの検出器は同じニュートリノの流れが同じ水と相互作用するのを見ているので、その流量と相互作用にかかわる不確かさは三者に共通している。そのため、ある実験の大きな統計量が、別の実験の結果をぼやけさせていたはずの誤差を絞り込むのに役立つ。

その過程で、チームはスーパーカミオカンデの公開データにバグを見つけた。共同研究グループはそれを確認して修正版を提供し、本研究では一般公開に先立ってその修正版が使われた。

上:各検出器と統合結果(黒)による、二つの振動パラメータの許容領域。下:観測結果(黒線)を、正常順序(青)または逆順序(オレンジ)を仮定した何千ものシミュレーション実験と比べたもの。— 図1、Jin, Argüelles, Fernández-Menéndez & Martínez-Soler (2026), arXiv:2610.12208, CC BY 4.0.

ほのめかしが積み重なる

単独では、どの検出器も正常順序にわずかに傾くだけだ。組み合わせると、その傾向ははっきりする。逆順序のもとでは、フィットが検定統計量で11.0だけ悪くなる。これを確率に直すため、チームは逆順序の宇宙で4397回の疑似実験をシミュレーションした。実際のデータと同じくらい極端な結果を出したのは、わずか2回だった。逆順序は99.95%の信頼度、つまり3.3シグマで排除される。

この信号はどこから来るのか。地球のマントルと核を通り抜ける20億〜100億電子ボルトのニュートリノは、質量順序によって異なる変わり方をする。正常順序では、通過する物質が反ニュートリノではなくニュートリノの変換を強め、三つの検出器すべてがこの増幅にそろって反応する。

おまけで得られる精度

同じフィットで、粒子加速器を一切使わずにニュートリノの別の性質も測定できる。

• この振動を引き起こす質量の差を2.2%、混合角の一つを**6.1%**の精度で決定した。著者らはこれを加速器実験に匹敵すると述べている。
• 混合角の一つは、取りうる最大値と矛盾しない。
• CP対称性を破る位相(物質と反物質の不均衡に結びついた量)に、ビーム実験に一切頼らない制限をつけた。

まだ発見ではない

この結果にはいくつかの注意点がある。これは公開データの独立した再解析であり、三つの共同研究グループの公式な結果ではない。より保守的な統計基準を使うと、有意性は2.55シグマに下がる。フィット全体の質は平凡で(確率0.011)、その原因はORCAのデータにある。また三つのデータセットのあいだには、2.2シグマの軽い緊張関係がある。著者らは、名前を挙げていないAIツールが原稿、図、コードの準備に使われたことを明らかにしている。

今後の見通しとして、この大気ニュートリノのデータに原子炉実験JUNOを加えれば、著者らの大まかな見積もりでは答えを4シグマ近くまで引き上げられる可能性がある。ただしこの数字には、完全な合同シミュレーションによる確認がまだ必要だという。「正常順序がその姿を現しつつある」と彼らは書いている。