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物理学プレプリントデータ解析1分で読めます

ガリウム異常を太陽で確かめる

ガリウム71は電子ニュートリノを吸収してゲルマニウム71に変わり、電子を1個放出することができる。ガリウムの中でできたわずかなゲルマニウム原子を集めて数えれば、ニュートリノの流量（フラックス）を測ったことになる。SAGEやGallex/GNOの検出器は、こうして太陽を観測していた。

これらの検出器を確かめるため、物理学者は人工のニュートリノ線源、つまり放射性のクロム51やアルゴン37のきわめて強力な試料にも検出器をさらした。すると、ゲルマニウムの数が少なく出た。初期の実験はそれをほのめかしたが、決着はつかなかった。その後、液体のガリウム金属でできた二重の入れ子状の領域の内側に3.5メガキュリーのクロム51線源を置いたBEST実験が、それを確認した。

20%の不足

BESTは近距離振動実験として設計された。通常の電子ニュートリノと混ざりあうステライルニュートリノで不足を説明できるかどうかを検証するためだ。捕獲率には距離による違いが見られなかった。6回の線源測定の結果、すなわち予想される率の0.97、0.81、0.97、0.83、0.81、0.78を合わせると、低い率が4シグマを超えて確認され、合計の比は0.817となる。これがガリウム異常だ。

予想される率は、断面積、つまりガリウムがニュートリノを捕獲する確率に基づいている。断面積は逆の反応、すなわちゲルマニウム71の電子捕獲による放射性崩壊から導かれ、その半減期（11.465日）とエネルギーは正確に知られている。その導出の一段階では、電子と原子核を別々に扱う。これを「因子分解（factorization）」と呼ぶ。2026年、カデッドゥ（Cadeddu）らはPhysical Review Letters誌で、この段階が破綻し、本当の断面積が20%低くなっている可能性があると主張した。ロスアラモス国立研究所のスティーブン・エリオット（Steven Elliott）とワシントン大学のハミッシュ・ロバートソン（Hamish Robertson）は懐疑的だ。因子分解は多くの原子核で測定値を約1%の精度で再現しており、知られている例外はナトリウム22の1つだけで、その差は約10%である。「したがって、20%のレベルで因子分解が破綻しているとすれば、非常に驚くべきことだ。」

誰もつくっていない線源

そこで2人は、ガリウムとは独立に較正されたニュートリノ線源を使った。太陽である。太陽のニュートリノ放出量は現在、地球上で標準模型の基本的な反応を通じて測定されている。Borexino検出器では電子に当たって跳ね返るニュートリノで、SNOでは重水素の原子核を壊すニュートリノで測る。そのどれも、ガリウムの断面積には依存しない。

著者らは5つの太陽ニュートリノ源を組み合わせた。主要な陽子・陽子連鎖（pp）に加え、pep、ベリリウム7、CNOサイクル、ホウ素8である。Borexinoがベリリウム7、pep、CNOのフラックスを、SNOがホウ素8のフラックスを提供する。ppのフラックスは太陽の明るさから求める。ヘリウムの原子核が1個できるたびに2個のニュートリノと26.731 MeVが放出され、そのエネルギーの約2%がニュートリノとして出ていく。途中で、ニュートリノは種類（フレーバー）を変える。1個のニュートリノが電子ニュートリノのまま到着する確率は、Daya BayとJUNOによる混合パラメータと、太陽モデルの密度分布を使って計算される。これが太陽モデルへの唯一残った依存である。ガリウムの断面積は、ハクストン（Haxton）とルール（Rule）による新しい評価から取った。

67のうち67

ガリウム検出器に対する予測を、太陽ニュートリノ単位（標的原子10³⁶個あたり1秒あたりの捕獲数）で示す。

  • ppニュートリノ：40.00
  • ベリリウム7：18.75
  • ホウ素8：4.17
  • CNO：3.00
  • pep：1.55
  • 合計：67.5（+1.4 / −1.1）

SAGEとGallex/GNOを合わせた測定値は66.1 ± 3.1だった。比は0.980（+0.050 / −0.049）である。

誤差棒つきの7つの点。6つの線源実験は青い帯の中の0.8付近にあり、赤い太陽の点は1付近にある。

捕獲率の測定値と予想値の比：6つの線源実験（黒）と、この研究の太陽による検証（赤）。青い帯は線源実験を合わせた結果。— Figure 3, Elliott and Robertson (2026), arXiv:2610.22219.

この予測された率の90%以上は、ゲルマニウムの崩壊と、ある反応とその逆反応のあいだの「詳細つりあい（detailed balance）」から求めた断面積に依存している。まさにカデッドゥらが疑問を呈した部分だ。太陽を線源にすると、異常はない。

どこか別のところに

2つの容疑者が一度に晴れる。ガリウムの断面積には、因子分解を含めて、誤りの兆候は見られない。そして、SAGE、Gallex、BESTの太陽観測でゲルマニウム原子を取り出して数える効率にも問題はない。線源実験の手順も似ているので、そちらもおそらく正確だろう。

異常そのものは残る。論文は代わりの説明を示さず、次の一文で終わる。「ガリウム異常の原因は、明らかにどこか別のところにある。」背景としてひとつ付け加えると、2人の著者は、そもそも異常を確認したBESTの論文にも名を連ねている。