太陽の中性子は見つかったのか？ 太陽のエネルギー問題は長い間物理学者や天文学者を悩ませてきましたが、20世紀30年代まで科学者たちは太陽のエネルギーが核融合によるものであることを理解していませんでした。核融合理論は太陽の観測特性をうまく説明しましたが、ある現象は理論予測と矛盾し、天文学者を長年困らせてきました。
核融合の法則によれば、太陽の核が大規模な熱核反応を起こしているならば、大量の中性子が生じるはずです。中性子は非常に奇妙な粒子で、電荷を持たず、標準モデルによれば静止質量はゼロです。さらに、中性子は電磁相互作用や原子核内の強い相互作用に参加しないため、非常に透過性が高く、「捕捉」するのは難しいのです。
太陽核融合理論を検証するために、科学者たちは太陽の中性子の実数を測定するための特別な方法を開発する必要がありました。そのため、アメリカの物理学者デイビスは南ダコタ州の地下1,500メートルの金鉱で歴史上初めて太陽中性子を測定する重要な実験を指揮しました。しかし、1968年の実測結果によれば、実際の太陽中性子数は理論予測の3分の1でした。大量の太陽中性子が失われていたのです！
後に、物理学者たちは測定方法を改良し、日本の科学者小柴昌俊が率いる神岡中性子検出実験で同様の現象が再び確認されました。一時、太陽中性子の失われた謎は科学者たちの間で話題となっていました。どこで問題があったのでしょうか？天文学者が間違っていたのでしょうか？太陽エネルギーは核融合から来ていないのでしょうか？それとも物理学者の中性子理論が間違っていたのでしょうか？
最初に、標準太陽モデルを改修することが考えられました。しかし、日震学の研究結果によれば、太陽モデルは問題ないことがわかりました。太陽モデルをどんなに調整しても、実測結果と一致しないのです。どんな調整も他の矛盾を増やすだけです。
科学者たちは中性子理論を修正することを余儀なくされ、「中性子振動」という概念が提案されました。現在、3種類の中性子が知られています。電子中性子、μ中性子、τ中性子。中性子振動理論によれば、異なる種類の中性子は互いに変換することができるのです。したがって、太陽から放出される電子中性子の一部は旅の途中で他の種類の中性子に変換されている可能性があります。現在の測定手段では電子中性子しか検出できないため、太陽中性子不足の表象が生じます。しかし、この理論は同時に中性子の静止質量がゼロではないことを意味し、これは粒子物理学の多くの基本概念に挑戦するもので、厳密な科学実験によって検証する必要があります。
1998年、日本のスーパーカミオカンデ検出器は初めて中性子振動の存在を確認する決定的な証拠を発見し、μ中性子がτ中性子に変換されたことが確認されました。2001年、カナダのサドバリー中性子天文台は新しい測定結果を発表し、太陽から放出される全ての3種類の中性子を検出し、そのうちわずか35%が電子中性子でした。3種類の総流量は標準太陽モデルの予測とよく一致しており、先に観測された太陽中性子不足の問題を完全に解決しました。
2002年、最初の中性子測定実験を指導したデイビスと神岡検出器の指導者小柴昌俊はノーベル物理学賞を受賞し、彼らの基本粒子物理学への貢献は、神秘的な中性子の謎とともに後世に語り継がれるでしょう。