中国、とらえどころのない「ニュートリノ」を探す世界最大の水中望遠鏡を建設中

中国はTRIDENT（Tropical Deep-sea Neutrino Telescope: 熱帯深海ニュートリノ望遠鏡）と名付けられた新しいニュートリノ検出器を建設している。赤道に近い南シナ海に建設中だ。この次世代ニュートリノ望遠鏡は感度が向上し、宇宙線とその起源にまつわる謎を解明するのに役立つはずだ。

宇宙ニュートリノは、遠い宇宙からの足早なメッセンジャーだ。ニュートリノを検出するのは非常に難しく、他の物質と相互作用したときに稀に検出されるだけである。

『Nature Astronomy』に掲載された新しい論文では、中国の新しいニュートリノ観測所の計画が紹介されている。論文の題名は「A multi-cubic-kilometre neutrino telescope in the western Pacific Ocean」で、筆頭著者は中国の上海交通大学ツォンダオ・リー研究所素粒子・原子核部門のポスドクフェローであるZiping Ye氏である。

「ニュートリノ」とは「小さな中性のもの」という意味で、物理学者でない限り、ニュートリノについての入門書は役に立つ。

ニュートリノは20世紀初頭に発見された。ニュートリノは電荷を持たず、質量は極小である。実際、当初は質量がないと考えていた物理学者もいた。電荷がないため、電磁気力とは相互作用しない。重力と弱い核力によってのみ相互作用する。

ニュートリノは地球を通過する。ニュートリノのほとんどは太陽から飛来し、太陽に面している地球の中心から毎秒650億個ものニュートリノが地球の正方形の中心に向かって降り注いでいる。ニュートリノの発生源は他にもあり、超新星爆発や原子炉、ビッグバンをはじめとする様々なものがある。

しかし、宇宙ニュートリノの研究は我々にとって最も重要であり、中国の新しいTRIDENT天文台はそれを研究している。宇宙ニュートリノは、宇宙線が原子に衝突したときに生成される。

ニュートリノは回避能力があるため、検出器はニュートリノを出し抜かなければならない。ニュートリノ検出器は、廃坑や海底、さらには南極の氷の奥深くに設置される。ひっそりと隔離されたこれらの観測所は、ニュートリノそのものを感知することはない。その代わりに、稀なニュートリノが通常の物質と相互作用した結果を観測するのだ。

ニュートリノは回避的かもしれないが、その回避性は私たちに有利に働くこともある。

科学者たちは、超高エネルギー宇宙線の発生源を突き止めようと躍起になっている。ニュートリノは、活動銀河核（AGN）から飛び出すジェットのような銀河系外の物体によって相対論的な速度まで加速される。もしニュートリノを検出できれば、その発生源まで追跡することができる。

ほとんどのニュートリノ観測所は、大量の水か氷でできている。観測所は、連結された検出器の列で構成されている。アイスキューブ・ニュートリノ観測所の例を見て欲しい。

中国の新しいTRIDENTニュートリノ観測所は、1,211本のストリングで構成され、各ストリングには20個のhDOM（ハイブリッド・デジタル光モジュール）が格納され、海面下約2,800mから3,400mの範囲で30mずつ垂直に区切られている。

体積はニュートリノ検出を成功させる鍵の1つだ。観測所がモニターする水の体積が大きければ大きいほど、稀なニュートリノ反応を検出できる確率は高くなる。TRIDENTは約7.5km³の体積を持つ世界最大のニュートリノ検出器になるのだ。体積が約1km³のIceCubeニュートリノ天文台と比べてみて欲しい。

検出器の効率はもう1つの主な検討事項である。TRIDENTは前例のない光子検出効率を持ち、その大きな体積と組み合わせると、まさに次世代のニュートリノ検出器となる。「TRIDENTはニュートリノ望遠鏡の性能の限界を押し広げ、天体物理学的ニュートリノ源の全天探索における感度の新たなフロンティアに到達する予定です」と、論文には記されている。

TRIDENTはIceCubeの成功の上に立ち、ニュートリノ科学をさらに発展させるだろう。IceCubeは、2022年にある特定の銀河系外ニュートリノ源候補を発見したことでニュートリノ検出界では知られている。それはNGC1068、別名メシエ77、別名イカ銀河だ。約4,700万光年先にある棒渦巻き銀河だ。それは活動的な銀河で、これまでの観測はM77からのニュートリノが複数の発生源を持っているかもしれないことを示している。

「TRIDENTは運用開始から1年以内に安定した発生源NGC1068を発見すると予測されています」と、論文では述べられている。

このような施設の建設は複雑な試みである。海面下2,800mから3,400mに、1211本のストリングに24,220個のコネクターを幾何学的に配置するのは容易ではない。どのような検出でも、正確なグローバルタイムスタンプが必要であり、それがシステムをさらに複雑にしている。また、探知機の列は海底に固定されなければならない。南シナ海は非常にダイナミックな海域であり、TRIDENTチームはニュートリノ観測所の厳しい条件を満たす海域北部の深海平原を特定した。深海平原とは、海底の勾配が1000分の1以下の大きな平坦地のことである。

ニュートリノ・センサー・アレイは非常に感度が高く、厳密な基準で作られなければならない。海ではそれが難しい。TRIDENTは、さまざまな深さの海流、自然放射線、水温や塩分濃度を考慮しなければならない。これらはすべて観測に影響を与える可能性があり、観測所の設計に考慮する必要がある。