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太陽ニュートリノ問題とは、太陽の光度から予測される太陽ニュートリノのフラックスと、実際に測定されたフラックスとの間に大きな乖離があるという問題である。この乖離は1960年代半ばに初めて観測され、2002年頃に解決された。
地球におけるニュートリノのフラックスは、1平方センチメートルあたり毎秒数百億個で、そのほとんどは太陽の中心部から来ています。しかし、ニュートリノは物質と非常に弱い相互作用しかせず、地球全体を横断するため、検出は困難です。素粒子物理学の標準模型で知られている3種類のニュートリノ（フレーバー）のうち、太陽は電子ニュートリノのみを生成しています。ニュートリノ検出器が太陽からの電子ニュートリノの流れを測定できるほど高感度になったとき、検出されたニュートリノの数は予測よりもはるかに少なかったのです。さまざまな実験で、その不足数は半分から3分の2の間でした。
素粒子物理学者たちは、1957年にブルーノ・ポンテコルヴォが議論したメカニズムが電子ニュートリノの不足を説明できることを知っていた。[ 1 ]しかし、彼らは、受け入れられている標準模型の修正が必要であるという事実など、さまざまな理由からそれを受け入れることをためらった。彼らは最初に調整のために太陽模型を指摘したが、それは却下された。今日では、太陽で生成されるニュートリノは、標準模型で予測されているような質量のない粒子ではなく、異なる（複雑な）割合で定義された質量の固有状態の重ね合わせであると受け入れられている。これにより、純粋な電子ニュートリノとして生成されたニュートリノは、伝播中に電子、ミューオン、タウニュートリノの混合物に変化し、電子ニュートリノのみに感度のある検出器で検出される確率が低下する。
様々な種類、エネルギー、飛程のニュートリノを対象とした複数のニュートリノ検出器が、ニュートリノに関する現在の知見に貢献してきた。2002年と2015年には、これらの検出器に関連する研究者計4名がノーベル物理学賞を受賞した。
太陽は陽子-陽子連鎖反応による核融合を起こし、4個の陽子をアルファ粒子、ニュートリノ、陽電子、そしてエネルギーに変換します。このエネルギーは、ガンマ線などの電磁放射線として放出されるほか、荷電粒子とニュートリノの運動エネルギーとしても放出されます。ニュートリノは太陽の中心部から地球まで、太陽の外層でほとんど吸収されることなく到達します。
1960年代後半、レイ・デイビスとジョン・N・バコールによるホームステーク実験は、太陽からのニュートリノのフラックスを初めて測定し、その不足を検出した。この実験では塩素をベースとした検出器が使用された。その後、神岡ニュートリノ観測所やサドベリーニュートリノ観測所など、多くの放射化学検出器や水チェレンコフ検出器によって、この不足が確認された。
太陽ニュートリノの予想数は、バハコールが確立に貢献した標準太陽モデルを用いて計算された。このモデルは、太陽の内部構造を詳細に説明している。
2002年、レイ・デイビスと小柴正敏は、太陽ニュートリノの数が標準太陽モデルで予測される数の約3分の1であることを発見した実験研究により、ノーベル物理学賞の一部を受賞した。[ 2 ]
1998年と2001年の実験で「ニュートリノ振動」の確固たる証拠が得られたことを認められ、スーパーカミオカンデ観測所の梶田貴明氏とサドベリーニュートリノ観測所（SNO）のアーサー・マクドナルド氏に2015年のノーベル物理学賞が授与された。[ 3 ] [ 4 ]しかし、ノーベル物理学委員会はSNO実験に関してニュートリノ振動に言及した点で誤りを犯した。同実験で観測された高エネルギー太陽ニュートリノについては、ニュートリノ振動ではなく、ミヘイエフ・スミルノフ・ウォルフェンシュタイン効果によって観測結果が生じたのである。[ 5 ] [ 6 ]ブルーノ・ポンテコルボ氏は1993年に亡くなったため、これらのノーベル賞には含まれていない。
この矛盾を説明しようとする初期の試みでは、太陽のモデルが間違っている、つまり太陽内部の温度と圧力がこれまで考えられていたものと大きく異なっている、という説が提唱された。例えば、ニュートリノは現在の核融合反応の量を測定するため、太陽の中心部における核反応が一時的に停止した可能性があると示唆された。しかし、熱エネルギーが太陽の中心部から表面に伝わるには数千年かかるため、これはすぐには明らかにならないだろう。
太陽地震学観測の進歩により、太陽内部の温度を推定することが可能になった。これらの結果は、確立された標準太陽モデルと一致した。より高度なニュートリノ観測所によるニュートリノスペクトルの詳細な観測結果は、太陽モデルのいかなる修正も説明できない結果をもたらした。ホームステーク実験の結果が示した全体的なニュートリノフラックスの低下は太陽中心部の温度の低下を必要とする一方で、ニュートリノのエネルギースペクトルの詳細にはより高い中心部温度が必要であった。これは、反応速度が温度に異なる様々な核反応によって、異なるエネルギーのニュートリノが生成されるために起こる。太陽モデルへのいかなる修正も、少なくとも矛盾の1つの側面を悪化させた。[ 7 ]
太陽ニュートリノ問題は、ニュートリノの性質に関する理解が深まったことで解決されました。素粒子物理学の標準模型によれば、ニュートリノには電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3種類があります。電子ニュートリノは太陽で生成されるもので、前述の実験、特に塩素検出器を用いたホームステーク鉱山実験で検出されたものです。
1970年代を通して、ニュートリノは質量がなく、そのフレーバーは不変であると広く信じられていました。しかし、1968年にポンテコルボは、ニュートリノに質量があれば、あるフレーバーから別のフレーバーに変化する可能性があると提唱しました。[ 8 ]したがって、「行方不明」の太陽ニュートリノは、地球に到達する途中で他のフレーバーに変化した電子ニュートリノである可能性があり、ホームステーク鉱山や現代のニュートリノ観測所の検出器では見えなくなっている可能性があります。
1987A超新星は、神岡とIMBで検出されたニュートリノの到着時間に差があったことから、ニュートリノが質量を持つ可能性を示唆した。[ 9 ]しかし、検出されたニュートリノイベントが非常に少なかったため、確実な結論を出すことは困難であった。神岡とIMBに、地球を通過するニュートリノバーストの伝播時間を測定するための高精度タイマーがあれば、ニュートリノが質量を持つかどうかをより明確に確立できたであろう。ニュートリノが無質量であれば、光速で移動する。質量があれば、光速よりわずかに遅い速度で移動する。検出器は超新星ニュートリノの検出を目的としていなかったため、正確なタイミングがなく、これは不可能であった。
ニュートリノ振動の強力な証拠は、 1998年に日本のスーパーカミオカンデ共同研究から得られました。 [ 10 ]この研究では、宇宙線によって上層大気で生成されたミューニュートリノが地球内部でタウニュートリノに変化することと一致する観測結果が得られました。つまり、検出器の真上から直接来るニュートリノよりも、地球を通過して来る大気ニュートリノの検出数が少なくなりました。これらの観測はミューニュートリノのみに関するもので、スーパーカミオカンデではタウニュートリノは観測されませんでした。この結果により、(比較的低エネルギーの)ホームステーク実験で観測された電子フレーバーニュートリノの不足も、ニュートリノの質量とフレーバーの変化に関係している可能性が高くなりました。
1年後、サドベリー・ニュートリノ観測所（SNO）がデータ収集を開始した。この実験は、約10 MeVの8 B太陽ニュートリノを 対象としており、太陽と地球の両方の振動の影響をあまり受けない。しかし、 1985年にアレクセイ・スミルノフが計算したように、ミヘイエフ・スミルノフ・ウォルフェンシュタイン効果により大きな不足が予想される。SNOの検出媒体として大量の重水を使用する独自の設計は、同じく1985年にハーブ・チェンによって提案された。 [ 11 ] SNOは特に電子ニュートリノを観測し、すべてのフレーバーのニュートリノをまとめて観測したため、電子ニュートリノの割合を計算することができた。[ 12 ]広範な統計分析の後、SNOコラボレーションは、その割合が約34%であると判断した。[ 13 ]これは予測と完全に一致している。検出された8Bニュートリノの総数も、当時の太陽モデルによる大まかな予測と一致している。[ 14 ]