ニュートリノは時空に泡を見つけなかった

物理学には、まだ機能する量子重力理論がない。しかし、ほとんどの候補には共通する一つの予想がある。極端に小さいプランクスケールでは、時空はなめらかであることをやめ、揺らぎ始めるというものだ。物理学者はこれを時空の泡と呼ぶ。具体的なイメージの一つは、仮想ブラックホールが背景に満ちている姿だ。微小ではかないブラックホールが、考えうる最も短い時間スケールで現れては蒸発する。

そうした揺らぎ一つは、小さすぎて気づくことができない。しかし長い距離を旅する粒子なら、その効果を積み重ねうる。粒子の量子的なふるまいは、少しずつ、ありふれた古典的なランダムさへと薄れていく。これをデコヒーレンスという。

地球を横切る量子時計

ニュートリノは理想的な試験粒子だ。電荷をもたず、弱い力と重力しか感じないので、惑星全体を乱されずに通り抜ける。しかも、量子時計を内蔵している。ある「フレーバー」(電子型、ミュー型、タウ型)として生まれたニュートリノは、進むにつれてほかのフレーバーへと振動する。この振動は干渉効果だ。もし時空の泡が途中でニュートリノの量子状態をかき乱せば、振動は弱められるだろう。

これに最適なのは大気ニュートリノだ。宇宙線が大気にぶつかったときに生じる。下から上がってくるものは、最大で地球の直径いっぱいまで地球を横切っている。そして非常に高いエネルギーに達する。プランクスケールに結びついた効果が最も強くなると予想されるエネルギー領域だ。

アイスキューブ共同研究は、通過するニュートリノに仮想ブラックホールが何をしうるかについて、2つのイメージを検証した。ランダムに確定した状態へ切り替えてしまうか、内部の位相をランダムな量だけずらすかだ。

図:ニュートリノが地球を横切ってアイスキューブに届く。4本の波線が、乱されずに通過する場合と、仮想ブラックホールによって変化する場合を示す。

宇宙線シャワーから生まれたミューニュートリノが、地球を横切ってアイスキューブに届く。途中で、仮想ブラックホール(VBH)がそのフレーバーを切り替えたり、質量状態へ射影したり、位相をずらしたりしうる。— IceCube Collaboration (2026)、図1、arXiv:2610.14144。

この効果は、環境へと情報が漏れ出す量子系のための標準的な方程式、リンドブラッド方程式で記述される。

ρ̇ = −i[H, ρ] − D[ρ]

第1項は通常の振動、第2項のDが減衰を表す。その強さΓはエネルギーとともにべき乗則で増えると仮定され、Γ(E) = Γ₀ (E/E₀)ⁿ とされる。チームは n = 0、1、2、3 を検証した。n = 2 の場合が最も理論的根拠があり、いくつかの弦理論の計算に現れる。

36万8071個のニュートリノ、ぼやけはなし

アイスキューブは、5160個の光センサーで見守られる1立方キロメートルの南極の氷だ。チームは10.7年分のデータを使った。地球を通り抜けて下から上がってきた36万8071個のミューニュートリノで、エネルギーは0.5から100TeV。この効果を探したアイスキューブの以前の探索より10倍高いエネルギーだ。解析はブラインドで行われ、結果を明かす前にすべての検証をパスしなければならなかった。

結論は、データがあらゆる場所で通常の3フレーバー振動と一致するというものだった。デコヒーレンスが最も強く効くはずの場所にも、不足は見られない。

べき指数nに対する上限を示す2つのグラフ。赤い星印が過去の印より下にあり、緑の線はプランクスケールの自然さを示す。

新しい上限(赤い星印)と過去の実験の比較。n = 3 では、星印が「自然な」プランクスケールの効果を示す緑の線を下回っている。— IceCube Collaboration (2026)、図6、arXiv:2610.14144。

n = 2 と n = 3 では、制限がアイスキューブの以前のものより10倍以上改善した。この向上は、主に最も高エネルギーのニュートリノによるものだ。
n = 2 では、デコヒーレンスの強さは、両方のモデルで、1TeVにおいて7.26 × 10⁻¹⁹電子ボルト未満でなければならない。
n = 3 では、制限が**「自然な」プランクスケールの予想を下回る**ところまで達した。これは、プランクエネルギーにおいて効果がプランクスケールそのものと同じ強さになると仮定して得られる値だ。n = 3 でこの水準に達したのは初めてだ。

予想以上にうまく隠れている

もし時空の泡がこのようにニュートリノ振動を減衰させるのなら、それは自然なプランクスケールの見積もりが予測するより強く抑えられていなければならない。何らかの追加の仕組みによるのか、あるいは単純なべき乗則ではないエネルギー依存性をもつのかだ。著者らは、これをこの種のモデルに対するこれまでで最も厳しい制限と呼んでいる。

この検証には死角がある。アイスキューブはニュートリノと反ニュートリノを一つずつ見分けられないので、解析では両者が同じようにふるまうと仮定している。また、モデルは意図的に単純にしてあり、減衰のパラメーターは一つだけだ。より大きなサンプル、とくに計画中の検出器IceCube-Gen2によるサンプルが、探索をさらに先へ進めるはずだ。