1-1. 素粒子の仲間とニュートリノ

● ４つの力
　　
ニュートリノは素粒子の一種です。素粒子は、物質を構成する素粒子と力を媒介する素粒子とに分類され、更に物質を構成する素粒子は、クォーク族とレプトン族とに分類されます。ニュートリノはレプトン族に属します。

素粒子間に働く力は、通常４つに分類されます。すなわち、原子核を構成する陽子と中性子、陽子や中性子などを構成するクォーク族に働く「強い力」、電気や磁気を持つ粒子間に働く「電磁力」、ベータ崩壊などに関与し、クォーク族にもレプトン族にも働く「弱い力」、そして質量を持つ粒子間に働く「重力」です。遠い距離まで作用する電磁力や重力と異なり、強い力と弱い力は非常に短い距離にしか作用しないため、日常その力を目の当たりにすることはできませんが、粒子間の衝突や崩壊を通して宇宙の歴史に、また現在の宇宙の構成に、重要な役割を演じています。
　　
● レプトン族の素粒子
　　
さらに物質を構成する素粒子は、世代と呼ばれる３つのグループに分けることができます。ニュートリノの属するレプトンの場合は、 （電子、電子ニュートリノ） が第１世代、（ミュー粒子、ミューニュートリノ） が第２世代、（タウ粒子、タウニュートリノ） が第３世代となります。「３種類のフレーバー（香り）を持つ」、という表現も用いられます。６つの内、タウニュートリノだけがまだ発見されていませんが、その存在はまず間違いないと考えられています。さらに、それぞれの粒子に対する反粒子も存在します。

各世代は対をなしています。電子ニュートリノが陽子や中性子に衝突したとき、電子が飛び出て来ますが、ミュー粒子やタウ粒子が出てくることはありません。同様に、ミューニュートリノのときはミュー粒子が、タウニュートリノのときはタウ粒子が出てきます。

電子とミュー粒子とタウ粒子の質量を比べると、ミュー粒子は電子に比べて約２００倍も重く、タウ粒子はミュー粒子よりさらに２０倍近く重いことがわかっています。では３種類のニュートリノの重さはどのようになっているのでしょうか？ 実は、この問題は現在最も注目されている問題なのです。

1-2. ニュートリノの性質

● ニュートリノと物質との反応
　　
ニュートリノは電気を帯びていないので、他の粒子と結びつかず、現実の物質を構成しません。

ニュートリノは「弱い力」で他の素粒子と反応しますが、反応の確率は非常に小さく、ほとんどのニュートリノは地球を通り抜けてしまいます。しかしごくまれに、ニュートリノが物質と相互作用（衝突）し、電荷を持ったレプトン（電子、ミュー粒子、タウ粒子）が飛び出してくることがあります。例えば、電子ニュートリノ＋中性子→電子＋陽子、のような反応が起こります。
　　
● ニュートリノと電子のエネルギースペクトル
　　
ニュートリノは歴史的には、エネルギーの保存則が原子核のベータ崩壊でも成立するように、つじつま合わせに考え出された粒子です。ベータ崩壊で出てくる電子または陽電子のエネルギーは値が一定でなく、広いスペクトルを持っています。それは、ベータ崩壊で電子と共に出てくるニュートリノがエネルギーの一部をを持ち出すためで、電子とニュートリノのエネルギーの和は原子核のベータ崩壊前後のエネルギー差に等しくなります。ニュートリノの運動エネルギーがゼロの場合に電子のエネルギーは最大になりますが、最大エネルギーの値、およびその付近のエネルギースペクトルの形状は、ニュートリノの質量によって変わってくることが期待されます。

現在まで精密な実験が繰り返されていますが、このエネルギースペクトルの研究からは、ニュートリノの質量が有限な値を持つという結果は出ていません。素粒子の標準理論でもニュートリノは質量ゼロとして扱われています。
　　
● ニュートリノ振動
　　
ニュートリノの質量がゼロでないとすると、上記のエネルギースペクトルの変化以外にもう一つ、ニュートリノ振動という現象がおこると考えられています。

ニュートリノに質量があると、フレーバーの固有状態と質量の固有状態は一致しません。ニュートリノのフレーバーは異なる質量の固有状態の重ね合わせとなり、それぞれの固有状態の波は異なる振動数（エネルギー）を持ち、ニュートリノが空間を進むにつれてそれら相互の位相がずれて行きます。この物理系は古典的な音の「うなり」と類似され、フレーバーの存在確率は大きくなったり小さくなったりを繰り返すことになります。あるフレーバーの存在確率が減ると、他のフレーバーの存在確率が増え、全体としての存在確率は常に１となります。

ニュートリノ振動によりニュートリノのフレーバーが移り変わる、例えば、最初ミューニュートリノであったものがある距離を走った後タウニュートリノになることが確認されれば、逆にニュートリノに質量があることになります。