エットーレ・マヨラナ

エットーレname="Ettore"・マヨラナはイタリアの理論物理学者。ニュートリノ質量の研究を行った。1938年3月25日、パレルモからナポリへ船で行く間に不可思議な状況下で失踪した。マヨラナ方程式とマヨラナフェルミオンの名前はこの人物にちなむ。2006年にはマヨラナ賞が設立された。

1. 生涯
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1.1. 天賦の数学的才能
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シチリア島のカターニア生まれ。数学の才能に恵まれ、非常に若くしてローマのエンリコ・フェルミのチームに「ラガッツィ・ディ・ヴィア・パニスペルナ」の1人として参加した。

おじのクイリーノ・マヨラナも物理学者であった。

1923年、大学で工学の勉強を始めるが、1928年エミリオ・セグレの働きにより物理学に変更した。最初の論文は原子分光学における問題を扱った。

1.2. 最初に発表された学術論文
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1928年に発表された最初の論文は、ローマの物理学研究所の若手教授ジョヴァンニ・ジェンティーレ の学部生のときに教授との共著で書いたものである。この研究は原子構造のフェルミの統計モデルの原子分光法に対する初期の定量的適用であった。

この論文において、マヨラナとジェンティーレはガドリニウムとウランの実験的に観測されたコア電子エネルギー、および光学スペクトルで観測されたセシウム線の微細構造分裂について十分な説明を与えるこのモデルの状況内で第一原理計算を行った。1931年、マヨラナは原子スペクトルにおける自動イオン化現象に関する最初の論文を発表し、これを"spontaneous ionization"と呼んだ。同年、プリンストン大学のAllen Shenstoneにより独立に発表された論文においてはこの現象を"auto-ionization"と呼んだ。この名前はそれ以降慣習的なものになり、ハイフンは付けなくなった。

1929年、ローマ・ラ・サピエンツァ大学で物理学の学士号を取得した。

1932年、時間により変化する磁場中で整列する原子の挙動に関する原子分光法の分野における論文を発表した。I・I・ラービらによっても研究されていたこの問題は重要な原子物理学のサブブランチ、無線周波数分光法のサブブランチにつながった。同年、任意の固有運動量を持つ粒子の相対論的理論に関する論文を発表した。この中でローレンツ群の無限次元表現を開発・適用し、素粒子の質量スペクトルの理論的基礎を与えた。イタリア語で書かれたマヨラナの論文の大部分と同じように、この論文は数十年にわたり相対的な難解さにより人々を苦しめた。

1932年にイレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオにより行われた実験により、彼らが示唆した未知の粒子の存在がガンマ線であることが示された。マヨラナは中性電荷を持ち陽子とほぼ同じ質量を持つ新たな粒子が必要であるとこの実験を正しく解釈した最初の人物である。フェルミはマヨラナに論文を書くよう勧めたが、マヨラナは気に留めなかった。そののち同じ年にジェームズ・チャドウィックが実験により中性子の存在を証明し、これによりノーベル賞を受賞した。

マヨラナは自身の発見に対する名声を求めないことで知られており、自身の研究を凡庸なものと考えていた。生涯に著した論文は9本のみである。

1.3. ハイゼンベルクとの研究、病、孤独
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「フェルミの働きによりマヨラナは1933年初めにNational Research Councilからの助成金によりイタリアを去り、ドイツのライプニッツでヴェルナー・ハイゼンベルクに出会う。その後マヨラナがハイゼンベルクに送った手紙では、彼を科学における同僚だけではなく温和な個人的友人とみなしていると書いている」。マヨラナがドイツに到着したのと時を同じくしてナチスが権力を握った。原子核の理論に取り組んだ。これは交換力の扱いにおいて、ハイゼンベルクの原子核の理論のさらなる発展を意味する。

コペンハーゲンにも行き、そこでニールス・ボーアやハイゼンベルクの友人やメンターとともに研究を行った。

「1933年の秋、マヨラナはドイツで急性胃炎を発症し明らかに神経を衰弱するなど健康を害したためローマに戻った。食事療法をすると、隔離されている感じが強まり家族との付き合いが厳しくなった。以前は温かな関係を持っていた母に、夏休みに海に行くことが恒例になっていたがこれについて行かないとドイツから手紙を送った。研究所に行く頻度が減るとすぐに、家を出ることがほとんどなくなった。有望な若い物理学者は隠者になってしまった。4年近くの間友人から身を隠し研究を発表することはなかった」。

論文をほとんど発表しなかったこの期間に地球物理学、電気工学、数学、相対性理論に関する小さな研究を多く書いた。ピサのドムス・ガリラエアナに保存されているこれらの未発表の論文は最近エラズモ・レカーミとサルヴァトーレ・エスポージトにより編集された。

1937年、「理論物理学の分野で達成された並外れた専門性の高い名声」により規則とは関係なく試験なしでナポリ大学で理論物理学の正教授となった。

1937年に発表した最後の論文はイタリア語で書かれ、電子と陽電子の対称理論について綿密に解説した。

1937年、フェルミオンとして知られる粒子のクラスにはそれ自身が反粒子となる粒子があるべきだと予測した。これがいわゆるマヨラナ粒子である。

マヨラナ方程式を解くと現在マヨラナ粒子として知られるそれ自身が反粒子となる粒子が得られる。2012年4月、マヨラナが予測したことのいくつかがハイブリッド半導体-超伝導体ワイヤデバイスに関する実験で確認された可能性がある。これらの実験はもしかすると量子力学のより良い理解につながる可能性があり、量子コンピュータ構築の助けになるかもしれない。また、重力の影響の推論以外には検出できない宇宙の「質量矛盾」の少なくとも一部はマヨラナ粒子で構成されているかもしれないという推測もある。

1.4. ニュートリノ質量の研究
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現在活発に研究されているニュートリノ質量について先行的な理論研究を行った。また、質量が重力波に対して小さな遮蔽効果を及ぼし、それほど大きな牽引力が得られないかもしれないという考えに取り組んだ。

2. 失踪
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1938年3月25日、パレルモからナポリへの船旅の間に未知の環境で姿を消した。いくらか調査が行われたが、遺体は見つからず、その後は未だ不明である。パレルモへの旅行の前に銀行口座から全てのお金を引き出していた。パレルモの大学で教授をしていたエミリオ・セグレを訪ねることを望んでパレルモに行ったのかもしれないが、セグレはその時カリフォルニアにいた。失踪した日にマヨラナは以下のメモをナポリ物理学研究所所長のAntonio Carrelliへ送った。

親愛なるCarrelliへ
やむを得ない決断をしました。少しわがままではありますが、私の突然の失踪があなたや学生にどんな問題を起こすのか理解しています。だからこそ、特にあなたがここ数か月間私にくれた自信、誠実な友情、同情を裏切ったことをお許しください。
あなたの研究所で私が知り合った全ての人特にSciutiに私のことを思い出させてください。私は少なくとも今夜11時まで、おそらくはそれ以降もそれら全ての思い出を大切にしていきます。
E・マヨラナこの直後にそれより前の計画をキャンセルする電信を送っている。パレルモからナポリへの切符を買っていたが、2度と現れることはなかった。

この失踪について考えられるいくつかの説明が提案されてきた。

自殺: エドアルド・アマルディ、エミリオ・セグレらによる説アルゼンチンへの逃亡: Erasmo RecamiとCarlo Artemiによる説ベネズエラへの逃亡: Rai 3のトークショー"//Chi l'ha Visto?//"においてマヨラナが1955年から1959年までベネズエラのバレンシアに住んでいたという陳述が発表された僧院への逃亡: シャーシャによる説 (推定としてはセッラ・サン・ブルーノの[[:en:wikt:charterhouse|Charterhouse]]）