南極点の氷1立方キロメートルを、遠い宇宙から来る粒子をとらえる望遠鏡に変えました。
- ニュートリノは宇宙で最も激しい場所からまっすぐ飛んできますが、ほとんど何にもぶつかりません。
- フランシス・ハルツェン（Francis Halzen）は、南極の氷の奥深くに光センサーを埋め、まれにぶつかったときに出る閃光をとらえることを提案しました。
- 2011年に完成したアイスキューブ（IceCube）は、太陽系のはるか外から来た高エネルギーニュートリノを初めて見つけました。
それまでの課題
宇宙には天然の粒子加速器があり、地球上のどの実験施設で到達できるエネルギーよりも最大100万倍高いエネルギーの粒子を放っています。それが何なのか、どこにあるのかを含め、こうした発生源の多くは謎でした。
発生源から届く電気を帯びた粒子は途中で磁場に曲げられるため、やって来た方向からは何もわかりません。また、光はちりにさえぎられることがあります。ニュートリノはまっすぐ進み、ちりも通り抜けますが、とらえるのがとても難しく、遠い宇宙から来るまれな高エネルギーのニュートリノを観測できるほど大きな検出器はありませんでした。
しくみ
遠い銀河の巨大ブラックホールの近くで生まれた、高エネルギーのニュートリノ1個を思い浮かべてください。そこは、科学者が発生源として疑っている場所の1つです。ニュートリノは磁場に曲げられず、ちりにもさえぎられずに宇宙をまっすぐ横切り、地球全体を通り抜けることさえあります。アイスキューブの中、表面から1,450メートルから2,450メートルの深さで、ニュートリノが氷の中の原子核にぶつかる可能性はごくわずかです。
ぶつかると、電気を帯びた粒子が生まれて氷の中を突き進み、かすかな青い光を円錐形に放ちます。最も透明な氷では、光は吸収されるまでに約200メートル進めるので、多くのセンサーがそれをとらえます。各センサーに光が届いた時刻からニュートリノの方向が、光の量からそのエネルギーがわかります。
大気でもニュートリノは作られるため、1つの事象だけで何かが証明されることはめったにありません。科学者は多くの事象を集め、そのエネルギーが大気ではなく宇宙の発生源に合うかどうかを調べます。
夜のボートの航跡
暗い湖の一面に動きを感じるセンサーが並び、見えないボートが1艘いるところを想像してください。ボートそのものは見えませんが、その航跡は円錐形に広がり、センサーは航跡がそれぞれに届いた時刻を記録します。そのタイミングから、ボートがどちらへ進んでいたかがわかります。アイスキューブでは、まれに原子にぶつかったニュートリノが電気を帯びた粒子を作り、その粒子が氷の中に青い光の円錐を残します。センサーはその光の到着時刻を同じように測ります。このたとえが当てはまらない点が1つあります。ニュートリノ自身はまったく航跡を残さず、ほとんどのニュートリノは何の痕跡も残さずに検出器全体を通り抜けてしまうことです。
- 新しい種類の天文学を始めました。光だけでなくニュートリノでも、高エネルギーの宇宙を見る天文学です。
- アイスキューブは、宇宙から来るニュートリノが絶えず届いており、そのエネルギーが1ペタ電子ボルトに達することを示しました。これは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が到達するエネルギーをはるかに超えています。
- 特定の銀河の方向を指すニュートリノを初めて見つけました。2017年のTXS 0506+056と、2022年の、4600万光年離れたNGC 1068です。どちらもまだ発生源として確定してはいません。
- 2026年、アイスキューブは12年分のデータを使い、天の川銀河が高エネルギーニュートリノの発生源であることを、物理学者が「発見」と呼ぶ水準で確かめました。
- この手法は広がりました。地中海、バイカル湖、南シナ海、カナダ沖で同様の望遠鏡が開発中で、8立方キロメートル規模のIceCube-Gen2も計画されています。
10秒
南極点の氷の奥深くに光センサーを埋めて、遠い銀河から来る「幽霊粒子」をとらえようとし、それが成功しました。
子どもに
宇宙から来るとても小さな粒子の中には、何にもぶつからずに地球全体をすいすい通り抜けるものがあります。フランシス・ハルツェンという科学者は、南極点の氷の奥深くに何千個もの光の検出器を置きました。この粒子が氷にぶつかると小さな青い光がピカッと出て、検出器がそれをとらえます。
30秒
ニュートリノは、地球全体を含め、ほとんど何でも通り抜ける粒子です。そのため遠い宇宙の激しい場所から情報を運ぶ使者としては理想的ですが、とらえるのはほぼ不可能です。フランシス・ハルツェンは、南極点の透明な氷が巨大な検出器になると気づき、その氷1立方キロメートルを光センサーで満たしたチームを率いました。2013年、アイスキューブは太陽系のはるか外から来た高エネルギーニュートリノの最初の証拠を報告しました。
2分
宇宙には天然の粒子加速器があり、巨大ブラックホールの周辺もその候補かもしれません。人間が作れるどんな装置よりもはるかに強力です。それが何なのかを知りたいのですが、そこから届くものの大半は途中で曲げられたり、さえぎられたりします。ニュートリノは違います。まっすぐ進み、ちりも惑星も、そしてあなたの体も通り抜けます。問題は、ほとんど何にもぶつからないことで、そのため巨大な検出器が必要になります。1988年にハルツェンが考えたのは、南極点の下の氷を使うことでした。チームは熱水で穴を掘り、86本のケーブルに付けた5,160個の光センサーを、約2.5キロメートルの深さまで下ろしました。夜の湖で、ボートそのものは見えなくても、水面のセンサーでその航跡をたどれる様子を思い浮かべてください。ニュートリノがまれに氷の中の原子にぶつかると粒子が生まれ、その粒子が青い光の円錐を残します。センサーはその光のタイミングを測り、ニュートリノがどこから来たのかを割り出します。2017年には、1個のニュートリノがTXS 0506+056というフレアを起こしていた銀河をまっすぐ指し示し、世界中の望遠鏡がそちらを向きました。これは空を見る新しい方法です。
- ニュートリノ
- 電気を帯びておらず、質量もほとんどない、とても小さな粒子です。ほぼ何でも通り抜けます。
- 宇宙線
- 宇宙から地球に降り注ぐ電気を帯びた粒子で、大半は陽子です。ときに非常に大きなエネルギーを持ちます。
- チェレンコフ光
- 電気を帯びた粒子が、氷の中で光が進める速さよりも速く動くときに出す、かすかな青い光です。
- 光検出モジュール
- アイスキューブのセンサー1個分です。幅約35 cmのガラス球の中に、光検出器と電子回路が入っています。
- PeV（ペタ電子ボルト）
- 粒子のエネルギーの単位で、LHCが陽子に与えるエネルギーの100倍以上です。
- ブレーザー
- 巨大ブラックホールを持つ銀河のうち、粒子のジェットがほぼまっすぐ地球を向いているものです。
- マルチメッセンジャー天文学
- 光とニュートリノのように、複数の信号を同時に使って1つの宇宙現象を調べることです。
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.