宇宙ニュートリノ背景

宇宙ニュートリノ背景（CNB）

宇宙ニュートリノ背景（うちゅうニュートリノはいけい、Cosmic neutrino background、略称: CNBまたはCνB）とは、宇宙の初期、ビッグバン直後に生成され、現在も宇宙空間に満ちているニュートリノの集団による背景放射のことです。

これは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）がビッグバンの名残であるのと同様に、宇宙の歴史を示す重要な痕跡の一つです。ただし、CMBが宇宙誕生から約38万年後に光子が物質から解放された（デカップリング）際に生じたものであるのに対し、CNBを構成するニュートリノは、そのずっと早い時期、宇宙が生まれてわずか約2秒後には他の物質との相互作用が非常に弱くなり、宇宙全体に自由に広がれるようになりました。この現象をニュートリノのデカップリングと呼びます。

現在、CNBを構成するニュートリノの温度は、およそ1.95ケルビン（K）と推定されています。しかし、低エネルギーのニュートリノは他の物質と極めて弱い力でしか作用しないため、CNBを直接検出する実験は、2016年時点ではまだ具体的な実現方法が見いだされていません。それでも、CNBが存在することを示す間接的な証拠は得られています。

宇宙背景ニュートリノの温度

CNBの現在の温度は、比較的よく観測されているCMBの温度から推定することができます。ニュートリノが他の粒子から分離する前のごく初期の宇宙では、ニュートリノ、電子、陽電子、光子といった粒子が熱平衡の状態にありました。

宇宙の温度が約2.5 MeVまで下がると、ニュートリノは他の粒子との相互作用が弱まり始め、デカップリングが進行しました。ニュートリノが他の粒子から分離した後も、宇宙の膨張に伴ってその温度は光子と同じように低下していきました。しかし、宇宙の温度が電子の質量（約0.511 MeV）を下回るまで冷えると、電子と陽電子の大部分が対消滅を起こしました。この対消滅によって解放されたエネルギーとエントロピーは、光子に引き継がれ、結果として光子の温度を相対的に上昇させました。ニュートリノはこの対消滅に関与しなかったため、その温度上昇の影響を受けませんでした。

この過程を通じて、電子と陽電子の対消滅の前後における光子の温度比は、現在の光子とニュートリノの温度比に等しくなります。宇宙のエントロピーは電子・陽電子の対消滅でおおよそ保存されたと考えると、エントロピーが実効自由度と温度の3乗に比例するという関係性を用いて、現在の光子とニュートリノの温度の比 Tν / Tγ = (4/11)^(1/3) が導き出されます。

現在のCMB温度 Tγ = 2.725 K をこの式に代入すると、CNB温度 Tν は約1.95 Kと計算されます。

なお、上記の議論は質量がゼロであるか、熱エネルギーに対して質量が十分に小さいニュートリノに適用されます。もしニュートリノが無視できない質量を持つ場合、温度がさらに低下して熱エネルギーが静止質量エネルギーを下回ると、もはや温度という概念での記述は適切ではなくなり、エネルギー密度として扱うことになります。

CNBの存在を支持する間接的な証拠

CNBを構成する相対論的なニュートリノは、宇宙全体の放射エネルギー密度に寄与します。この寄与の度合いは、ニュートリノの種類の「実効的な数」である Nν というパラメータで記述されます。標準的な素粒子物理学のモデルでは、3種類のニュートリノが存在するとされており、Nνの値は理論的に約3.046と予測されています。

宇宙の放射エネルギー密度は、初期宇宙における様々な物理過程、特に宇宙の膨張速度に大きな影響を与えます。そのため、初期宇宙の観測データから Nν の値を推定することが可能です。主な間接的な証拠は以下の通りです。

ビッグバン原子核合成 (BBN)
ビッグバン後の数分間に起こったBBNでは、宇宙の膨張速度が軽元素（ヘリウム4や重水素など）の生成量に影響を与えます。この膨張速度は、その時点での宇宙のエネルギー密度に依存するため、Nνの値によって軽元素の理論的な存在量が変化します。天体物理学的な観測によるこれらの軽元素の存在量の測定結果は、標準模型の予測する Nν の値とよく一致しており、CNBの存在を強く支持しています。

CMBの異方性と宇宙の大規模構造形成
CMBの温度のわずかなむら（異方性）や、宇宙に存在する銀河や銀河団といった構造（大規模構造）の形成過程も、初期宇宙のエネルギー密度や物質分布の影響を受けます。CNBは、放射エネルギー密度に寄与するだけでなく、自由運動することで物質の揺らぎ（摂動）をならし、小規模な構造形成を抑制する効果も持ちます。また、ニュートリノの異方性ストレスがCMBスペクトルの音響振動パターンに影響を与えます。これらの観測データ（例えばWMAPやPlanck衛星によるCMB観測、超新星観測、バリオン音響振動の測定など）を分析することによっても、Nνの値を推定することができます。これらの観測から得られる Nν の値も、標準模型の予測やBBNからの推定値と概ね一致しており、CNBが宇宙に存在することの独立した証拠となっています。

今後、より精度の高い宇宙論観測が行われることで、Nνの値の推定精度がさらに向上し、CNBやニュートリノの性質に関する理解が深まることが期待されています。

関連項目

宇宙マイクロ波背景放射
宇宙重力波背景放射
* 熱的残存粒子

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