ニュートリノ振動における CP 対称性の破れの探索とその意義
Keyword: レプトンにおける CP 対称性の破れ
1.

はじめに

間子崩壊などで観測されている CP 対称性の破れを説明す2016 年夏，ニュートリノ振動における物質と反物質のる．一方 strong CP の破れの効果は理論的には存在するこ間の対称性（CP 対称性）が 90% の信頼度で破れているととが期待されているにもかかわらず実際には観測されておいう結果を T2K 実験グループが報告した． 90% という信らず未解決問題となっている．

1）

頼度は統計的には十分ではないが近い将来レプトンセク

上記の議論はニュートリノに質量がない場合であり，ターにおける CP 対称性の破れが発見される可能性が大きニュートリノの質量を考慮すると新たな CP の破れのパラく高まったことは間違いない．本稿ではニュートリノ振動

メータ（レプトンセクターの CP 位相）が登場する．特ににおける CP 対称性の破れの意義，宇宙における物質反物

ニュートリノ振動実験で観測され得る CP の破れの効果は

質非対称性の起源との関わり，そして測定の現状と展望に

クォークセクターの 3 世代混合効果に対応するものでありついて解説する．

そのパラメータはディラック CP 位相，δCP と呼ばれる．
ニュートリノ振動における CP 対称性の破れが確立され

2.

反粒子，CP 対称性とその破れ

ればクォーク混合効果とは完全に独立な CP 対称性の破れ

素粒子には，質量とスピンが等しく電荷の符号が逆の反の存在が初めて確認されることになる．strong CP の破れ粒子が存在する．これは相対論的場の量子論において必然の効果が期待よりも非常に小さい現状を考えると新たなでありすべての素粒子には対応する反粒子が存在する．

CP 対称性の破れの確認は CP 対称性およびその破れのより粒子と反粒子の入れ替え変換（C 変換）に対して物理法

深い理解に対する重要な示唆を与え得る．またニュートリ則が不変である場合その法則は C 対称性を持つという．実ノ振動における δCP の決定はフレーバー構造の起源の模型

際電磁相互作用および強い相互作用は C 対称性を持つこと

や大統一模型にとって重要なインプットとなる．このようが知られている．一方で弱い相互作用はクォーク，レプトにニュートリノ振動における CP の破れの発見は標準模型

ンは左巻きの粒子および右巻きの反粒子に限られている．

を超える物理に対し大きな意味を持っている．

ここで左巻き，右巻きとはカイラリティと呼ばれるもので光速に近い場合には運動量方向に射影した粒子のスピンの向き（ヘリシティ）と一致するものである．そのため弱い

3. 宇宙の物質反物質非対称性とレプトジェネシス

我々の身の周りの宇宙は陽子，中性子および電子といっ相互作用は C 変換（＝左巻きの粒子の左巻きの反粒子へのた物質で構成されており反陽子，反中性子，反電子といっ変換）に対する不変性を持ち得ない．同様に電磁相互作用

た反粒子からなる反物質は殆ど存在しない．これは宇宙におよび強い相互作用が持つ鏡像（P）変換対称性について

おいては粒子と反粒子の間に非対称性が存在していることも粒子および反粒子の左巻き，右巻きをそれぞれ入れ替えを意味している．

るため弱い相互作用においては対称性にはなり得ない．

ビッグバン元素合成による軽元素粒子数密度の解析から

ここで C 変換と P 変換を組み合わせた CP 変換を考えて宇宙の物質数（≃核子数）と光子数の比は〜6×10−10 であみる．この CP 変換は左巻きの粒子を右巻きの反粒子，右ることが要求される．粒子と反粒子の間に対称性が存在し巻きの反粒子を左巻きの粒子に変換する．そのため CP 変

た場合には核子と反核子は宇宙初期にほとんど対消滅して換は弱い相互作用の対称性になり得る．そして実際に CP

しまう．またクォーク混合効果による CP 対称性の破れの対称性は弱い相互作用においてはわずかに破れているのみ

みでは消えずに残った物質密度を説明できない．したがっで近似的に良い対称性となっていることが分かっている．

て初期宇宙において未知の粒子反粒子間の非対称性が生じそのため素粒子標準模型では粒子反粒子対称性といった際ている必要がある．

には実質的に CP 対称性を意味し，その対称性はわずかに破れているのみであるというのが現状である．
素粒子標準模型の CP 対称性には 2 通りの破れのパラメータが存在する．それらはそのような物質反物質非対称性の起源の最も有力な候補と 考 え ら れ て い る の が レ プ ト ジ ェ ネ シ ス 機 構 で あ る．
ニュートリノの質量が非常に小さいことを自然に説明する模型としてシーソー機構が挙げられる．レプトジェネシス

・弱い相互作用における 3 世代クォーク混合効果

機構ではその機構に現れる重い右巻きニュートリノの崩壊

・強い相互作用における strong CP の破れの効果

における CP 対称性の破れによって宇宙の物質反物質の非によるものである．前者は小林 ‒ 益川理論であり中性 K 中700©2017 日本物理学会

対称性が説明される．レプトジェネシスは軽いニュートリ
日本物理学会誌

Vol. 72, No. 10, 2017

ノの質量と宇宙の物質反物質非対称性の起源を統一的に説明する機構であり，レプトンセクターに CP 対称性の破れが存在することを要請している．
ただしレプトジェネシスに必要な CP 対称性の破れには複数の CP 位相が寄与するため一概に δCP とレプトジェネ
シスを関連づけることは難しい．しかしながらレプトンセ
クターにおける CP 対称性の破れの実験的な確認はレプト
ジェネシス機構の解明に向けての重要な一歩となることは間違いない．また，さらに踏み込んだ仮定として，レプト
ンセクターの CP 対称性の破れがニュートリノ振動に現れる δCP のみであったと仮定すると | sin θ13 sin δCP | > 0.09 であることが要求される（sin θ13 はニュートリノ混合角 sin θ13
2）≃0.15）．
こういった仮説についても近い将来のニュート

図 1 2016 年夏に公表された T2K 実験での電子ニュートリノ事象（上図）と反電子ニュートリノ事象（下図）のエネルギースペクトラム．
赤線は，δCP＝0 の場合の予測である．

リノ振動実験によって検証されていくことが期待される．

4.

CP の破れの測定の現状と展望

T2K 実 験 は 茨 城 県 東 海 村 に あ る 大 強 度 陽 子 加 速 器 J-

わ せ た 結 果，δCP の 90% 信 頼 度 区 間 と し て−171°< δCP <

PARC からニュートリノビームを 295 km 離れた岐阜県飛騨市神岡にあるスーパーカミオカンデ検出器に打ち込み−27° という結果が得られている．すなわち CP 対称性を保存する δCP＝0°，180° が 90% 信頼度で棄却された．*1

ニュートリノ振動を測定するという実験である．陽子を標

結論を出すには，より高統計での測定が必要である．ま的物質に打ち込むとパイ中間子が放出される．パイ中間子

た，純粋に νμ → νe と反 νμ →反 νe の比較による CP 対称性のはやがてミューオンとミューオンニュートリノに崩壊する．

破れの測定も望まれる．T2K 実験では 2026 年頃までに統電磁石で π＋ないし π−を選択的に収束することで，ミュー計を約 20 倍増やし，CP 対称性が最大に破れる δCP＝−90°

オンニュートリノビームないし反ミューオンニュートリノ

の場合に，3σ の信頼度で CP の破れを発見することを目指

ビームを作ることができる．ミューオンニュートリノは，している．一方，陽子崩壊探索やニュートリノの観測，測わずかに質量の異なる三種類の波の重ね合わせ状態にあり，定を行うことを目的とした次世代の大型ニュートリノ検出

長距離走行するうちに波の位相にずれが生じて，電子器として日本ではハイパーカミオカンデ実験，米国では

ニュートリノやタウニュートリノ状態が混じってくる．こDUNE 実験が提唱されている．ハイパーカミオカンデは，

れがニュートリノ振動である．CP 位相 δCP が 0° または 180°

スーパーカミオカンデの約 10 倍，有効質量 190 キロトンと異なる値を持つと，ミューオンニュートリノのうちどれの水チェレンコフ検出器であり，3） また DUNE では 10 キだけが電子ニュートリノへ振動するのかが，ニュートリノ

ロトンタンク 4 基の液体アルゴン検出器の建設を目指しての場合と反ニュートリノの場合で異なる，すなわち CP 対

4）いる．
ニュートリノビームを生成する陽子加速器の増強

称性が破れることになる．スーパーカミオカンデでは，も行い，δCP の広い範囲で CP 対称性の破れの探索が行われ（反）ミューオンニュートリノ事象と（反）電子ニュートリ

ると期待される．

ノ事象を識別することができるため，（反）電子ニュート
リノへの振動確率を測定することができる．

参考文献
1）K. Abe et al.［T2K Collaboration］, Phys. Rev. Lett. 118, 151801（2017）.
2）S. Pascoli, S. T. Petcov, and A. Riotto, Nucl. Phys. B 774, 1（2007）.
3）http://www.hyper-k.org/
4）http://www.dunescience.org/

図 1 は，T2K 実験で観測された（反）電子ニュートリノ
事象数である．実は今回の結果は純粋にニュートリノと反ニュートリノを比較したものではない．太陽ニュートリノ
や原子炉ニュートリノの測定結果，そしてミューオン

伊部昌宏〈東京大学宇宙線研究所 ibe＠icrr.u-tokyo.ac.jp〉
市川温子〈京都大学大学院理学研究科 ichikawa＠scphys.kyoto-u.ac.jp〉
4

ニュートリノの消失の測定を用いると δCP 以外を除けば振4

動確率を予測することができる．図 1 で赤線はそのように（2017 年 4 月 30 日原稿受付）

し て 予 測 し た δCP＝0 の 場 合 の 予 測 事 象 数 で あ る．電 子
ニュートリノではこの予測よりも多く，また反電子ニュー

トリノでは少なく観測されている．これらの情報を組み合
現代物理のキーワード

ニュートリノ振動における CP 対称性の破れの探索とその意義*1 2018 年夏には，CP 対称性保存を 95% 信頼度で棄却する結果が T2K実験により公表されている．

701©2017 日本物理学会