2019年度のネイチャー17号目のカバーストーリーより。
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Cover Story：二重電子捕獲の直接観測：暗黒物質検出器がキセノンの捉えにくい原子核崩壊を検出
Nature 568, 7753
2019年4月25日
表紙は、イタリアのラクイラ近郊にある国立核物理学研究所のグランサッソ国立研究所のXENON1T暗黒物質検出器を囲む水遮蔽体の内部である。今回XENONコラボレーションは、XENON1T検出器が極めて検出の難しいタイプの原子核崩壊を記録したことを明らかにしている。著者たちは、キセノン124（124^Xe）における2個のニュートリノを放出する二重電子捕獲を直接観測した。この過程の半減期は、宇宙の年齢のおよそ1兆倍である。XENON1T検出器には、超高純度のキセノンが3.2 tも用いられており、これによって124Xeが崩壊してテルル124（124^Te）になる際に放出されるX線の検出が可能になった。測定されたこの崩壊の半減期は1.8 × 10^22年で、予測と一致している。著者たちは、今回の検出は、ニュートリノの放出を伴わない二重電子捕獲過程の検出への価値ある一歩であり、ニュートリノの理解をさらに深めることができる可能性があると述べている。
NEWS & VIEWS p.462
LETTER p.532
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この論文はニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌では、『素粒子物理学：エキゾチックな原子核崩壊の検出』と題されています。
観台においては、『今回、宇宙の「失われた」質量である暗黒物質を探るために設計された検出器によって、2個のニュートリノを放出する二重電子捕獲という検出が困難な原子核崩壊が観測された。これは、原子核物理学と素粒子物理学に影響を及ぼす。』と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
暗黒物質検出器はエキゾチックな核崩壊を観測します
となり、見出しを直訳しますと・・・
暗黒物質、つまり宇宙の「失われた」質量を探査するように設計された検出器は、核および素粒子物理学に影響を与える、2-ニュートリノ二重電子捕獲と呼ばれるとらえどころのない核崩壊を見てきました。
となります。
本文を直訳しますと・・・
半世紀の間、私たちの世界観は素粒子物理学の標準モデルに基づいてきました。しかし、この見方は、標準モデルのいくつかの制限を克服できる理論[1]によって挑戦されてきました。これらの理論は、ニュートリノがマヨラナ粒子であることを可能にし（つまり、ニュートリノはそれ自体の反粒子と区別がつかない）、宇宙の目に見えない「暗黒物質」の構成要素として弱く相互作用する塊状粒子（WIMP）の存在を予測します。マヨラナニュートリノは、ニュートリノのない二重β崩壊と呼ばれる一種の核崩壊を媒介します。その一例は、ニュートリノのない二重電子捕獲です。この崩壊を観察するための重要なステップは、その標準モデルの同等物である[2]ニュートリノ二重電子捕獲を検出することです。 Natureの論文で、XENON Collaboration2は、WIMPを検出するために構築された検出器を使用して、キセノン-124核におけるこのプロセスの最初の直接観測を報告しています。
宇宙におけるすべての既知の相互作用は、電磁気、重力、強いまたは弱いの4つの力のいずれかによって媒介されます。私たちが日常生活で遭遇する電磁力と重力は長距離であり、長距離にわたって作用する可能性があります。強い力は短距離で作用し、クォークと呼ばれる素粒子を結合して、フェムトメートルスケール（1 fmは10^–15 m）で核子（陽子と中性子）を形成します。次に、強い力の弱い長距離残基が核子を原子核に結合します。たとえば、この残基は、キセノン124核の124核子（54個の陽子と70個の中性子）を結合します。最後に、弱い力は非常に短距離であり、原子核を核β崩壊と呼ばれるプロセスによって崩壊させます。
β崩壊の1つのタイプは、原子に埋め込まれた原子核がそれを取り巻く電子殻から電子を捕獲する核電子捕獲です（図1a）。その結果、原子核内の1つの陽子が中性子に変換され、ニュートリノが放出されます。電子捕獲、または他の形式のβ崩壊は、最低次の弱い相互作用として知られています。このようなプロセスの場合、原子核の半減期に反比例する原子核の崩壊率は、弱い結合定数の2乗に比例します。これは弱い力の強さを定量化するパラメーターです。この定数が小さいため、結果として生じる半減期は長くなります。たとえば、ヨウ素-124からテルル-124への電子捕獲を介した崩壊の場合、半減期は4,2日です。
場合によっては、電子捕獲（または他の最低次の弱い相互作用）はエネルギー保存の法則によって禁止されています。次に、核崩壊は2次の弱い相互作用プロセスを経て進行する可能性があります。このプロセスでは、崩壊率は弱い結合定数の4乗に比例し、関連する半減期は非常に長くなります。二次弱い相互作用の例は、2-ニュートリノ二重電子捕獲です。この捕獲では、原子核がそれを取り巻く電子殻から2つの電子を捕獲し、2つの陽子を中性子に変換して2つのニュートリノを放出します（図。 1b）。
このプロセスは、原子核を陽子が2つ少なく、中性子が2つ多い原子核に直接変換する2つの同時電子捕獲崩壊と見なすことができます。捕獲された各電子は、それが由来する電子殻に穴を残します。これらの穴は他の原子電子で埋められ、オージェ電子と呼ばれるX線や電子の放出につながります。このような放出は、原子核における2-ニュートリノ二重電子捕獲の直接観測への道を開きます。このプロセスの最初の実験的兆候は、二重電子捕獲が1つずつ記録される直接計数実験[3,4]のクリプトン-78と、地球化学的研究のバリウム-130で得られました[5,6]。
XENONコラボレーションは、XENON1T暗黒物質検出器を使用して、2-ニュートリノ二重電子捕獲によって発生するキセノン-124のテルル-124への崩壊を探しました。この機器には、約3トンの超高純度液体キセノンが含まれており、キセノン核からのWIMPの散乱を検索するように設計されています[7]。検出器は、ローマから約120km離れたイタリア中部のグランサッソ山塊の下にあるグランサッソ国立研究所にあります。研究者たちは、X線とオージェ電子の放出を測定してまれな崩壊を突き止める直接計数実験を実施しました。データは、WIMPの調査の一環として、1年間（2017年から2018年の間）にわたって収集されました。
検出器内の大量のキセノンのおかげで、著者らはキセノン124核における2-ニュートリノ二重電子捕獲の最初の直接観測を達成しました。彼らは、プロセスの半減期を1.8×1022年と測定しました。これは、宇宙の年齢の約1兆倍です。この半減期の測定の成功は、他の核におけるこれらのまれな崩壊を検出することを目的とした実験の基礎を築きます。さらに、研究者がWIMPを検索する液体キセノン機器を使用することで、そのような検出器の能力と多様性の顕著な証拠が得られます。ただし、これらの機器で調べることができるのは、キセノン124、キセノン126、キセノン134、キセノン136の4種類の二重β崩壊だけです。
核理論の観点から、2-ニュートリノとニュートリノのない二重電子捕獲の両方の崩壊率は、核マトリックス要素と呼ばれる量に関連付けることができます。このような量には、核モデルから抽出された核構造に関する情報が含まれており、核構造理論の分野の研究者が適用できます。測定された2-ニュートリノ二重電子捕獲は、二重β崩壊の速度を計算するために使用されるさまざまな核モデル[8]をテストするのに役立ちます。さらに、取得した半減期データにより、モデルパラメータを微調整できるため、科学者は、ニュートリノレス二重電子捕獲、およびニュートリノレス二重β崩壊に関連する核マトリックス要素の値をより正確に予測できます。 最後に、これらの要因はすべて、現在および将来のニュートリノ実験によって収集されたデータからのニュートリノパラメータの正確な抽出に貢献します。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.462
Dark-matter detector observes exotic nuclear decay
本論文においては、日本語版本誌では、『素粒子物理学：XENON1Tによる124^Xeの2個のニュートリノを放出する二重電子捕獲の観測』と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
XENON1Tを使用した124Xeでの2-ニュートリノ二重電子捕獲の観測
となり、Abstractを直訳しますと・・・
2-ニュートリノ二重電子捕獲（2νECEC）は、宇宙の年齢を何桁も超えると予測される半減期を持つ2次の弱い相互作用プロセスです[1]。これまで、2νECEC崩壊の兆候は、2つの同位体[2,3,4,5]、78Kr、および130Baでのみ見られ、統計的有意性の高い直接検出には、バックグラウンドレベルが非常に低い機器が必要です[6,7]。 2νECEC半減期は核構造モデル[8,9,10,11,12,13,14]で観察可能な重要なものであり、その測定はニュートリノのない二重電子捕獲の探索における有意義なステップを表しています。ニュートリノの絶対ニュートリノ質量へのアクセスを提供します[15,16,17]。ここでは、XENON1T暗黒物質検出器を使用した124Xeでの2νECECの直接観測について報告します。信号の重要性は4.4標準偏差であり、対応する半減期1.8×10^22年（統計的不確かさ、0.5×10^22年、系統的不確かさ、0.1×10^22年）は、これまで直接測定された最長のものです。この研究は、キセノンベースの暗黒物質検出器のバックグラウンドが低く、ターゲット質量が大きいため、まれなプロセスの測定に適していることを示し、より大規模な次世代実験の幅広い物理的範囲を強調しています[18,19,20]。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.532
Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T
Data availabilityによりますと・・・
この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。
究極に溜まりに溜まりまくっているネイチャー。次回より、2019年度の17号目のネイチャーのハイライトを取り上げていきます。次回は、『地球化学：沈み込み帯前弧で失われる炭素ンの捉えにくい原子核崩壊を検出』を取り上げます。
新型コロナ関連はネイチャーでも取り上げられていますが、ハイライトのものをとりあげます。
≪natureの論文より≫
■コロナウイルス：SARS-CoV-2スパイク変異株はウイルス複製を増強する
■コロナウイルス：慢性COVID-19患者におけるSARS-CoV-2の進化
■コロナウイルス：バイオンテック社/ファイザー社製ワクチン候補BNT162b1とBNT162b2の前臨床開発
■コロナウイルス：南アフリカでのSARS-CoV-2変異株のゲノム疫学
■コロナウイルス：モデルナ社製とファイザー社製のSARS-CoV-2 mRNAワクチンによって誘導される抗体応答の解析
■コロナウイルス：SARS-CoV-2の現在拡散中で懸念されている変異株に対する中和活性
■コロナウイルス：BNT162b2ワクチンによって誘発されたSARS-CoV-2中和抗体に対するB.1.1.7変異株の感受性
■コロナウイルス：回復期血漿を用いたSARS-CoV-2変異株の交差中和
■コロナウイルス：SARS-CoV-2の新しい変異株に関連した死亡リスクの上昇
■コロナウイルス：安価なハンセン病薬がSARS-CoV-2に対する広域スペクトルの抗ウイルス薬となる
■コロナウイルス：SARS-CoV-2に対するヒト由来のIgG様二重特異性抗体
■コロナウイルス：SARS-CoV-2スパイクを介した細胞間融合に関わる機構
■コロナウイルス：SARS-CoV-2が宿主の遺伝子発現を遮断する仕組み
■コロナウイルス：SARS-CoV-2感染のマルチオミクス像
■コロナウイルス：COVID-19の長く残る症状を詳しく描写
※体調を確保しながらなので、更新等が滞ることもあるかと思いますので、申し訳ないと思っております。主治医の指示に従っておりますので、ご安心くださいませ。まずは取り急ぎに取り上げます。
※政宗（いぬのきもち・ねこのきもちのデータベース）つついては、体調をみながら随時、最終更新日から取り上げています。癒し＆知識の増強にお役立てくださいませ。