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天文学者はどのようにしてニュートリノを探すのだろうか?この小さくて質量のない粒子は、光速に非常に近い速度で宇宙を駆け抜けていく。1950年代から研究されており、ニュートリノを検出することは、さまざまな興味深い天文台の仕事となっている。

南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所(下)は、南極にある1立方キロの氷を集光器として使っている。また、地中海の海底で開発中の「KM3Net」というニュートリノ検出器もある。これは、世界中にある既存の検出器の仲間入りとなる。

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この画像は、南極にあるIceCubeラボの風景に、最高エネルギーのニュートリノ検出の一つを重ね合わせたイメージ画像だ。 (Credit: IceCube Collaboration)

現在、中国の科学者コンソーシアムは、現在オンラインで提供されているどの技術よりも広範囲に及ぶ、別の深海ニュートリノ「望遠鏡」を開発する計画を立てている。

中国科学院の主任研究員Chen Mingjun氏によると、この施設は稼働中のニュートリノ観測施設の中で最大になるそうだ。「2,300本の紐で吊るされた55,000個以上の光学モジュールからなる30立方キロメートルの検出器になります」とChen氏は説明する。

なぜニュートリノを研究するのか?

ニュートリノは、宇宙のさまざまなところからやってくる。天文学者は、超巨大な星の爆発のようなエネルギッシュな出来事がニュートリノを生成することを知っている。しばしば、ニュートリノの殺到が天文学者に超新星の爆発という事実を警告する。ニュートリノは、破滅的な出来事からの光が地球に届く前に地球に到達する。

ニュートリノは、宇宙線とともに太陽や恒星の爆発、ブレイザーと呼ばれる天体からも飛来し、ビッグバンで誕生したニュートリノもある。地球上では、地中の放射性物質の崩壊や原子炉、粒子加速器から発生する。

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NASAのフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡で最も多く検出されているのが、ブレイザーと呼ばれるブラックホールパワーを持つ銀河だ。ニュートリノや宇宙線の発生源となっている。 (Credit: M. Weiss/CfA)

ニュートリノ天文学は、これらの粒子(宇宙線と同様)を使って、その発生源を探し出し、その背後にある物理を理解する方法である。ニュートリノは、天文学者にとって、他の方法では捉えることのできないプロセスを「見る」チャンスを与えてくれる。例えば、太陽のコアでの活動、銀河の隠れたコア、ガンマ線バースト、スターバースト銀河のイベントなどだ。

ニュートリノを検出する方法

動きが速く、質量がほとんどないこの粒子を発見し、測定するのは簡単なことではない。ニュートリノは通常の物質とはあまり反応しないため、その位置を特定するのが難しいのだ。ニュートリノがどこで発生したかによるが、星間ガスや塵、惑星や恒星と反応する前に、何光年もの宇宙空間を旅することが出来る。いったん発生すると、ほとんど邪魔されることなく通過する。しかし、ニュートリノは物質と短時間相互作用する。この相互作用により、検出可能な他の反応や粒子が生成される。

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日本にあるニュートリノ観測装置「スーパーカミオカンデ」には、5万トンもの超純水が光電管で囲まれている。(Credit: Credit: Super-Kamiokande Observatory)

ニュートリノはとても滑りやすい物体なので、ニュートリノ検出器は研究に十分な量を検出するために、広い「収集エリア」を持つ必要がある。最初のニュートリノ観測所は地下に建設された。これは検出器を地域の放射線の “汚染”から隔離するためだ。検出には非常に感度の高い装置が必要で、地球上で最も優れた装置でさえも、比較的少数のものしか測定出来ない。

ニュートリノ観測所の中には、テトラクロロエチレンという液体を使用して、通過するニュートリノの手がかりを「捕捉」するところがある。この材料は、ドライクリーニング液としてよく知られているかも知れない。ニュートリノがタンク内の塩素37原子にぶつかると、それをアルゴン37原子に変換する。それを検出するのが、この装置だ。

ニュートリノを測定するもう一つの方法は、チェレンコフ検出器と呼ばれるものを使って測定することだ。チェレンコフ放射とは、電子やミューオンなどの荷電粒子が水や重水、氷の中を移動するときに放出される放射のことだ。荷電粒子が検出器の液体の中を移動するときに、この放射線を発生させるのだ。アイスキューブ、KM3Net、バイカル湖などはこの方式を採用している。中国の水中検出器はこの方法を改良し、より大規模なニュートリノ探査を行う予定だ。

ニュートリノ源と宇宙線源の関連性

このような大規模な望遠鏡を建設する目的は、高エネルギーのニュートリノを検出することだが、Chen氏は、宇宙線との関連性があるかもしれないと考えている。彼は、この施設が検出するニュートリノが、宇宙線の起源という100年来の科学の謎を解くことに貢献すると期待している。

1900年代初頭、科学者たちは、高エネルギー粒子が常に地球に降り注いでいることを発見した。それ以来、天文学者は宇宙からガンマ線だけでなく、ニュートリノも追跡してきた。2021年、四川省にある中国の大型高高度エアシャワー観測所(LHAASO)は、12個のガンマ線の発生源を検出した。これらはおそらく、いくつかの宇宙線と同じ発生源から来たものだろう。

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中国の科学者が開発中の高エネルギー水中ニュートリノ望遠鏡の模式図。 (Courtesy Chinese Academy of Sciences)

Chen氏によると、有力な仮説の1つは、高エネルギー宇宙線が発生する際に、高エネルギーニュートリノとガンマ線が同時に生成される可能性があるというものだ。「この2つの粒子を一緒に検出できれば、宇宙線の起源を特定することができます」とChenは言う。研究チームは、検出器でニュートリノが衝突して二次粒子が生成されるかどうかを確かめたいと考えている。この二次粒子は、水中の検出器が見ることのできる光信号を発するはずだ。すでにこの可能性を示唆する研究もあり、Chen氏はニュートリノ検出によって、この謎の宇宙放射線の起源を突き止めることができると考えている。

次のステップへ

チームのほとんどのメンバーは、特にLHAASOプロジェクトを通じて、宇宙線の研究に何年も費やしてきた。そして今、彼らは全く新しい施設でニュートリノと同じことをするために準備を進めている。深海から地球外ニュートリノを探索することが、新たな挑戦となることは間違いない。水中での装置やオペレーションは非常にコストがかかる。さらに、完全に防水できる検出器を開発しなければならない。しかし、作業は進行中で、チームは水深1,800mの海中で検出システムをテストする最初の海上試験を完了したばかりだ。


この記事は、CAROLYN COLLINS PETERSEN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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