南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所が天の川銀河で初めて高エネルギーニュートリノを検出

The Conversation
投稿日 2023年6月30日 14:45
MilkyWay neutrinos

世界最大かつ最も奇妙な望遠鏡である南極アイスキューブ・ニュートリノ観測所(IceCube)が、天の川銀河内部からのニュートリノ放出を初めて検出した。

ニュートリノは電気的に中性の小さな粒子で、ほとんどの物質を検出されずに通り抜ける。ニュートリノは、巨大なブラックホールを取り囲むような極端な環境で生成され、空間や物質の中をまっすぐに進む。

ブラックホールや爆発する星は遠すぎて訪れることができず、実験室で再現するには極端すぎるため、科学者たちはそれらを研究するために、星からの可視光のような宇宙からのメッセンジャーに頼っている。ニュートリノも宇宙からのメッセンジャーの一種であるが、小さすぎて我々の目やほとんどの望遠鏡で見ることはできない。

そこで登場するのがアイスキューブ・ニュートリノ観測所だ。南極大陸にあるこの観測所は、10億トンの氷でできており、格子状に凍ったセンサーが設置されている。センサーはニュートリノが通過するのを検知すると点灯し、研究者はセンサーの配置に基づいて、フラッシュを発生させたニュートリノのエネルギーと方向を決定することができる。

そこから、研究者はエネルギーと方向を使って、ニュートリノが宇宙のどこから来たのかを突き止めることができる。

私はウィスコンシンアイスキューブ素粒子天体物理学センターの暫定所長として、研究者がアイスキューブ・ニュートリノ観測所の利用を成功させるために必要な人材と資源を確保している。

氷を使ってニュートリノを検出する

アイスキューブ・ニュートリノ観測所のセンサーでニュートリノ反応による閃光を識別するのは難しいことだ。アイスキューブ・ニュートリノ観測所は毎秒約2,600事象を記録しているが、これらの事象のほとんどは宇宙線と呼ばれる高エネルギー粒子から来るもので、地球の大気に衝突するとニュートリノの雨も降り注ぐ。毎年見られる10万個のニュートリノのうち、宇宙線ではなく銀河系や銀河系外からのニュートリノは数百個に過ぎない。

宇宙線からのニュートリノではなく、宇宙からのニュートリノを見つけることは、何層もの絵の具で覆われた肖像画の中のかすかな特徴を見ようとするようなものだ。

驚くべきことに、アイスキューブ・ニュートリノ観測所の研究者が以前に同定した最初の2つのニュートリノ発生源は、天の川銀河の外側から来たもので、そのうちの1つはブレイザーと呼ばれる非常に明るい銀河天体だった。これらのニュートリノはかなり遠くにあったが、天の川銀河の内側からのどのニュートリノ発生源よりも高エネルギーだった。

より暗い天の川ニュートリノを見つけるには、ドレクセル大学とドルトムント大学のIceCube共同研究者による巧妙な作業が必要だった。アイスキューブ・ニュートリノ観測所による最初の天の川ニュートリノの検出に関する彼らの研究は、2023年6月29日に『Science』誌に発表された

科学者たちは宇宙線ニュートリノやその他の宇宙線ノイズから宇宙からのニュートリノをフィルタリングするためにいくつかのトリックを使うことができる。私たちはエネルギーで選別することができ、エネルギーの高いニュートリノほど宇宙からのニュートリノである可能性が高くなる。我々の銀河系外からのニュートリノは1つの場所に集まる傾向があるので、研究者はニュートリノのクラスターを探すこともできる。最後に、研究者は、他の望遠鏡によって既に検出されているブラックホールのような一過性の天体物理的事象からのニュートリノを探すことができる。

2013年、アイスキューブ・ニュートリノ観測所はエネルギーに基づいて同定された天体物理ニュートリノの最初の証拠を発表した。これらのニュートリノは孤立した1個のニュートリノだったので、研究者たちはそれらがどこから来たのかを正確に知ることができなかった。

ニュートリノの発生源を探す

科学者たちは、これらの最も最近発見されたニュートリノが我々の銀河系内から飛来したことを突き止めたにもかかわらず、新たに発見されたニュートリノが発生した個々の場所を特定するのに十分な天の川の明確な地図を持っていない。ニュートリノ放出の特定の場所を決定するために分析を改善することが次のステップである。

発生源の探索を改善する方法はいくつかある。第一に、科学者がより長く調べ、より多くのデータを集めれば集めるほど、ニュートリノの発生源を特定できる可能性は高くなる。つまり、賢いことは忍耐強いことよりもリターンが大きいのだ。

もっと賢くなる方法をいくつか紹介しよう。第一に、研究者はどの宇宙事象をゼロにするかを選ぶことによって事象選択を改善し、より多くのニュートリノ候補がサンプルに含まれるようにすることができる。これは、より明瞭に見るために新しい眼鏡をかけて博物館を再訪するようなものだ。最後に、背景を減らす方法を見つけようとすることができる。これは、肖像画がより少ない絵の具の層で覆われている領域を探すようなものだ。

かすかな天の川ニュートリノを見るためには、これらのトリックをすべて使う必要があった。私たちのチームはサンプルサイズを改善する方法を見つけ、機械学習を使って事象の再構成を改善した。これにより、ニュートリノを天の川までさかのぼることができるほど背景を減らすことができたのだ。

我々が研究している宇宙からの発光のほとんどの場合、天の川銀河内の天体からの光が最も明るく輝く。数千万光年離れた銀河NGC1068は、天の川銀河よりも多くの高エネルギーニュートリノを放射している。このことは、すべての銀河が高エネルギー粒子を生成する同じ能力を持っているわけではないことを教えてくれる。また、天の川の宇宙の癖を理解するためには、ニュートリノを放出する銀河をもっと見つけて研究する必要があることも教えてくれる。

アイスキューブ・ニュートリノ観測所は、検出器アレイを約8倍にする高エネルギーアップグレードを計画している。2030年代にアップグレードが終了すれば、科学者たちは改良された技術でニュートリノの探索を続けることができるだろう。


本記事は、Jim Madsen氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「IceCube neutrino detector in Antarctica spots first high-energy neutrinos emitted in our own Milky Way galaxy」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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