英語で読む日経サイエンス
SCIENTIFIC AMERICAN April 2016
The Neutron Enigma
中性子の寿命の謎
| By Geoffrey L. Greene ／Peter Geltenbort | G. L. グリーン ／P. ゲルテンボルト |
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| Luckily for life on Earth, most matter is not radioactive. We take this fact for granted, but it is actually somewhat surprising because the neutron, one of the two components of atomic nuclei (along with the proton), is prone to radioactive decay. Inside an atomic nucleus, a typical neutron can survive for a very long time and may never decay, but on its own, it will transform into other particles within 15 minutes, more or less. The words “more or less” cover a disturbing gap in physicists’ understanding of this particle. Try as we might, we have not been able to accurately measure the neutron lifetime. | 地球上の生命にとって幸運なことに物質の多くは放射線を出さない。私たちはこの事実を当然のように思っているが，陽子とともに原子核を構成する中性子が簡単に放射性崩壊を起こす粒子であることを考えれば，これは驚きに値するのではないだろうか。
原子核内部の中性子は非常に長い寿命を持ち，崩壊することはほとんどない。これに対し単独の中性子は15分前後で別の粒子に姿を変える。“前後”というこの幅のある表現は，中性子に関する物理学の理解が不完全であることの裏返しだ。何度実験しても，私たちはいまだに中性子の寿命を正確に測定できていないのだ。 | |
| This “neutron lifetime puzzle” is not just embarrassing for us experimentalists; resolving it is vital for understanding the nature of the universe. The neutron decay process is one of the simplest examples of the nuclear “weak” interaction—one of nature’s four fundamental forces. To truly understand the weak force, we must know how long neutrons live. Furthermore, the survival time of the neutron determined how the lightest chemical elements first formed after the big bang. Cosmologists would like to calculate the expected abundances of the elements and compare them with astrophysical measurements: agreement would confirm our theoretical picture, and discrepancy could indicate that undiscovered phenomena affected the process. To make such a comparison, however, we need to know the neutron lifetime. | この「中性子の寿命の謎」は私たち実験家の面目をつぶすだけではすまない。中性子の正確な寿命を知ることは宇宙の性質を理解するために不可欠なのだ。中性子の崩壊プロセスは，原子核で働く「弱い力」の作用で生じる最も単純な例の1つだ。弱い力とは自然界に存在する基本的な4つの力の1つ。その力を本当に理解するには中性子の寿命を知る必要がある。
さらに中性子の寿命は，宇宙がビッグバンで誕生した後，水素やヘリウムなどの軽い元素がどのように形成されたかを決定づける要因となっている。宇宙論研究者は，これら軽元素の存在量を理論から計算し，天体観測の結果と比較しようとしている。両者が一致すれば，ビッグバン理論による描像が正しいことが確かめられるし，矛盾が見つかれば，軽元素の生成過程に未知の現象が関わっていることが示唆される。しかし，両者を比較するには，まずは中性子の正確な寿命を知る必要がある。 | |
| More than 10 years ago two experimental groups, one a Russian-led team in France and the other a team in the U.S., attempted separately to precisely measure the lifetime. One of us (Geltenbort) was a member of the first team, and the other (Greene) was a member of the second. Along with our colleagues, we were surprised and somewhat disturbed to find that our results disagreed considerably. Some theoreticians suggested that the difference arose from exotic physics—that some neutrons in the experiments might have transformed into particles never before detected, which would have affected the different experiments in divergent ways. We, however, suspected a more mundane reason—perhaps one of our groups, or even both, had simply made a mistake or, more likely, had overestimated the accuracy of its experiment. | 10年以上前，2つの実験グループが別々に中性子の寿命の精密測定を試みた。一方はロシア人研究者をリーダーにフランスで，もう一方は米国で実験を行った。著者の1人（ゲルテンボルト）は前者の，もう1人（グリーン）は後者のメンバーだった。両者の測定結果が大幅に食い違うことを知った私たちを含む両実験グループのメンバーは驚き，いささか困惑した。
両者の食い違いは，現行理論にはないエキゾチックな粒子によるものではないかとの説を唱える理論物理学者もいた。両グループは異なる実験手法を用いているため，一部の中性子が測定中に未知の粒子に変わった影響が測定結果の違いとなって表れたのではないかというのだ。 しかし，私たちはもっとありがちな原因を疑った。実験グループのどちらか，あるいはいずれもが何らかのミスを犯した可能性だ。よりありそうなのは，実験精度を高く見積もりすぎた可能性だ。 |