「私たちは、まだ世界のすべてを知ることが出来ていない」。
その証拠を示した発見に、ノーベル物理学賞です。
2015年のノーベル物理学賞は、東京大学宇宙線研究所長の梶田隆章博士と、カナダ・クイーンズ大学のアーサー・マクドナルド博士が受賞しました。受賞テーマは、「ニュートリノ振動の発見により、ニュートリノに質量があることを示したこと」です。
簡潔に言うと、「ニュートリノ」という目に見えない粒子の振る舞いを観測し、人類がそれ以前に観測してきた物理現象から組み立てた「標準理論」に、まだ足りない部分があることを明らかにしたのです。目の前の物質から宇宙全体までに対する、私たちの理解をあらためる発見でした。
【ニュートリノって何？】
ニュートリノは素粒子の一種。物質をつくる基本の（＝つまりこれ以上は分けることができない）、粒のようなものです。目に見ることができず、人体や構造物、地球などをスルスルとすり抜けてしまうため、（人体を毎秒100兆個が貫通していると計算されています）、観測が難しく、"オバケ"や"幽霊"に例えられます。
ニュートリノには3種類（反粒子含まず）あって、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノといいます。太陽の核融合で生まれたり、大気や地中で発生したり、人工的に発生させることもできます。
【ニュートリノ振動とは】
ニュートリノの"変身"です。先ほど紹介した、電子、ミュー、タウの3種類が、空間を飛び交っている際にそれぞれに姿を変えることです。
【割合が違う！？＝梶田博士の発見】
梶田博士らのグループの観測対象は、「大気ニュートリノ」。大気に、宇宙線（＝太陽や、宇宙の彼方から飛んできたエネルギーの高い粒子）が衝突したときに生じ、地上に降り注ぎます。
梶田博士らのグループは、地上での観測で、電子ニュートリノとミューニュートリノの割合が、理論から導かれた予想と異なっていることを発見しました。
理論では「ミューニュートリノ：電子ニュートリノ＝（だいたい）２対１」となるはずだったのに、ほぼ同じくらいの数が観測されたのです。
この時点で、2つの可能性がありました。ひとつは、「ミューニュートリノが電子ニュートリノや、タウニュートリノに変わった」。もう一つは、「ミューニュートリノがなくなった」。前者であれば、ニュートリノ振動です。でも、後者は、ただ消えた？だけです。
それは、タウニュートリノの観測が難しいためでした。観測をしたのは、岐阜県にある「スーパーカミオカンデ」という施設。見えない、捕まえられない粒子を観測する、世界でも最先端の技術が結集されていますが、「タウニュートリノが観測できない」という弱点があったのです。
【でも、消えてはいない！＝マクドナルド博士の発見】
その「もう一つの可能性」を打ち消したのが、カナダのマクドナルド博士らのグループでした。
彼らの観測対象は、太陽ニュートリノ。施設はスーパーカミオカンデと異なり、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの全種類をとらえることができました。ミューニュートリノとタウニュートリノが区別できない、という弱点もありましたが、観測できた総数と理論に矛盾がなかったので、「ニュートリノは消えない」と結論づけることができたのです。
【ニュートリノ振動で、質量があることが分かる理由】
光は粒であり波であると聞いたことがあるかもしれませんが、ニュートリノも粒でもあり波の性質も持っています。ニュートリノは量子論をふまえて考えると、異なる質量を持つ複数の波が重なり合った状態として表されます。
このニュートリノの波は、軽い波の方が重い波よりも速く進むので、進むにつれて2つの波に「ずれ」が生じます。つまり、飛んでいるうちに重ね合わせた波の状態が変わるため、ニュートリノの種類も変わってしまうのです。
具体的には、大気中で生み出されたミューニュートリノは、ある程度飛んでいくとタウニュートリノに変わり、さらに進むとまたミューニュートリノに戻るというふうに、「振動」しながらニュートリノの種類が変わっていくんです！
仮に、ニュートリノの質量が「ゼロ」だとして考えると......。
重なり合った波が全て同じ速度で進んでいくため、波形が変わることがなく、振動（＝変身）する理由を説明できないのです。
※2015年10月7日午前、【ニュートリノ振動で、質量があることが分かる理由】の部分を全面的に差し替えました。10月6日23時に公開した内容には、解釈の誤りがありました。お詫びして訂正いたします。
【「標準理論」はどうなる？】
標準理論とは、この世界の自然法則を説明する理論。これまでのさまざまな物理学の積み重ねで、築き上げられてきました。
しかしそれは、「ニュートリノに質量がない」という前提の上でつくられた理論。ニュートリノ振動が確認された以上、それを包括する新たな理論を組み立てていかなくてはなりません。
「世界の自然法則を理解したい」という、人類の根源的な好奇心。まだまだ奥は深そうです。しかし、この「ニュートリノ振動の発見」は、その奥深い世界への、新たな大きなステップになったのです。
【今日はここまで】
未来館のノーベル物理学賞チームの福田、ヘイチク、雨宮をはじめとする、多くのスタッフと協力しながら書いてきましたが、ここらで時間切れです。
この続きは、未来館のフロアや、ブログなど、さまざまな形で発信していきたいと思います。
