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SCIENTIFIC AMERICAN July 2020

The Darkest Particles

動き出した米国の探索実験

By William Charles Louis /Richard G. Van de Water W. C. ルイス /R. G. ファン・デ・ワーテル
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The physicists who came to our presentation at the 2010 Neutrino conference in Athens, Greece, probably expected us to put to rest a controversial finding from a decade prior. Instead we left them in a stunned silence.  2010年にギリシャのアテネで開催された国際会議「ニュートリノ2010」の私たちの発表を聴きに来た物理学者たちは,物議を醸した10年前の発見を私たちが解決したものと期待していたことだろう。だが,実際には彼らは驚いて言葉を失うことになった。
The story begins in 1996, when we revealed data, obtained at the Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) at Los Alamos National Laboratory, suggesting a problem with the widely accepted idea that neutrinos—tiny, ubiquitous particles that pass right through most matter—come in three types, or flavors. Our results showed that there might be a fourth neutrino flavor that had gone undetected. The scientific community was skeptical, and in fact, early data from a follow-up experiment hinted that our 1996 results were off—there was no fourth neutrino flavor after all. That day in Athens it was clear that the audience expected our latest findings to shut the door on the LSND results once and for all. We revealed, however, that the evidence for a fourth type of neutrino had become even more compelling.  話の発端は1996年,私たちが米国立ロスアラモス研究所で行ったLSND(Liquid Scintillator Neutrino Detector)実験のデータを公表したことだった。そのデータは,ニュートリノには3つの種類(フレーバー)があるという広く受け入れられている説に疑問を投げかけるものだった。ニュートリノは至るところに存在し,ほとんどの物質を透過する小さな粒子だ。私たちの結果は,それまで検出されていなかった4種類目のニュートリノが存在する可能性を示していた。だが,科学界はその結果に懐疑的だった。実際,その後に行われた実験の初期データは,私たちの1996年の結果が正しくない,つまり4番目のフレーバーは存在しないことを示唆していた。
 あのアテネでの発表の日,聴衆は間違いなく,私たちの最新の研究結果によってLSND実験の結果が完全に否定されることを期待していた。しかし,私たちが明らかにしたのは,第4のニュートリノの証拠が説得力を増したことだった。
We had not discovered the particle, but our work, conducted as part of the Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) at Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Ill., showed that there was almost certainly a problem with the contemporary understanding of particle physics. The most likely solution was a new neutrino—a “sterile” neutrino, so called because it would not interact with other matter in any way except through gravity. In the decade since our presentation in Greece, data from MiniBooNE have bolstered the case for a fourth flavor of neutrino even further.  第4のニュートリノが発見されたわけではなかったが,イリノイ州バタビアにある米国立フェルミ加速器研究所でのニュートリノ実験MiniBooNE(Mini Booster Neutrino Experiment)の一環として実施された私たちの研究は,素粒子物理学に関する現時点での理解にほぼ間違いなく問題があることを示した。その問題の解決法として最も可能性が高いのが,第4のニュートリノ「ステライルニュートリノ」だった(ステライルは「不毛な」の意。重力以外の方法では他の物質と相互作用しないためこう呼ばれる)。ギリシャでの発表から10年間,MiniBooNE実験では4番目のフレーバーの存在を強く裏付けるデータが得られている。
We now think there is more than a 99.999999 percent chance that something is going on beyond the scope of known physics, and sterile neutrinos are a strong contender. The idea that our experiments might be detecting a fourth neutrino remains controversial, however, because the Standard Model of particle physics is one of the most tested and thoroughly confirmed theoretical frameworks in history—and it allows for only three neutrinos. Nevertheless, we know the Standard Model is not complete, because it cannot explain dark matter or dark energy, the invisible stuff that seems to dominate the cosmos. And a new neutrino flavor might just be a link to that hidden realm. Finally, after years of uncertainty, several projects are beginning around the world—including our own Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) experiment—that could put this mystery to bed.  私たちは現在,既知の物理学では理解できない何かが99.999999%以上の確率で起こっていると考えており,ステライルニュートリノの存在はその有力候補だ。しかし,私たちの実験が4番目のニュートリノを検出しているという主張は依然として議論の的となっている。素粒子物理学の標準モデルは歴史上,特に厳しく検証され,徹底的に確認されてきた理論的枠組みであり,そこで想定されているニュートリノは3種類しかないからだ。
 それでも標準モデルが完全ではないことはわかっている。宇宙を支配しているとされる見えない構成要素である暗黒物質や暗黒エネルギーを説明できないからだ。新たなニュートリノフレーバーがその隠された領域への架け橋である可能性がある。
 はっきりしない状況が続いたが,ついにこの謎に決着をつけられるいくつかの実験プロジェクトが世界各地で始まっている。その1つが私たちのCCM(Coherent CAPTAIN-Mills)実験だ。