科学者らはこれまでで最もエネルギーの高いニュートリノを検出したと発表した

素粒子物理学の標準モデルを構成するすべての基本粒子の中で、ニュートリノは最も謎に包まれています。ニュートリノは実質的に無重力ですが、完全に無重力というわけではありません。ニュートリノは電荷を帯びず、他の粒子と相互作用することはほとんどありません。ニュートリノは固定されたアイデンティティを持っているようにも見えず、3 つの異なる「フレーバー」の間を絶えず振動しています。この記事を読んでいる間にもニュートリノは体内を流れています。太陽は常に膨大な量のニュートリノを生成しているためです。しかし、ニュートリノを検出するのは依然として困難であり、ニュートリノについてまだ多くのことが分かっていません。

「ニュートリノは非常に神秘的な粒子です」と、地中海の深海に設置されたニュートリノ検出器、キロメートル立方ニュートリノ望遠鏡（KM3NeT）による極めて高エネルギーのニュートリノの崩壊生成物の検出について記述した、2月12日にネイチャー誌に掲載された新しい論文の共著者の1人であるダミアン・ドルニックは述べています。科学者は、ニュートリノが約220ペタ電子ボルト（PeV）のエネルギーを持っていたと計算しており、これはこれまで観測された中で最もエネルギーの高いニュートリノになります。（220 PeVは並外れて高いエネルギーです。比較のために、大型ハドロン衝突型加速器は最大13.6テラ電子ボルトのエネルギーで粒子を衝突させますが、これはニュートリノの推定エネルギーのわずか0.006％です。逆に言えば、これはニュートリノがLHC衝突16,000回以上のエネルギーを持っていたことを意味します。）

ニュートリノ自体は直接観測されたわけではなく、2023年2月13日に2つの粒子検出器のうちの1つを照らしたミューオンと呼ばれる別の粒子の検出からその存在が示唆された。科学者たちは過去2年間、データを調べてミューオンの軌道を再構築し、物質粒子と超高エネルギーニュートリノの相互作用によってミューオンが生成されたと結論付けた。

ニュートリノは依然として極めて捉えにくいが、ミューオンは検出が容易で、理解もはるかに進んでいる。ミューオンは、現在も活発に研究が進められている非常に微妙な違いを除けば、おなじみの電子とほとんど同一であるため、電子のより重い親戚とよく言われる。しかし、重要な違いが 1 つある。ミューオンの質量は電子の約 200 倍である。

この高い質量によりミューオンは不安定になり、平均して 2 マイクロ秒未満 (マイクロ秒は 100 万分の 1 秒) 存在した後に、より軽い粒子に崩壊します。このはかない寿命によりミューオンを検出するのが難しくなると思われるかもしれませんが、相対性の影響により、高エネルギーミューオンはこれよりはるかに長く存在しているように見えます。時間の遅れと長さの収縮として知られる相対論的効果は、基本的に、私たちの基準フレームから見ると、ミューオンの移動速度が速いほど、崩壊に時間がかかることを意味します。

地球上で検出されるミューオンのほとんどは宇宙線によって生成されます。宇宙線は高エネルギー粒子（通常は陽子）で、地球の上層大気の粒子と衝突して、その際に短寿命の異質粒子のシャワーを生じます。このようにして生成されたミューオンには十分なエネルギーが込められており、その一部は地球の表面に到達します。

しかし、2023年にKM3NeT検出器に衝突したミューオンは、これらのミューオンの1つではなかったはずです。上から降りてくる宇宙線ミューオンとは異なり、ほぼ水平の軌道で到達したためです。論文では、このようにしてKM3NeTに到達するには、ミューオンが海水と固い岩石を通過してほぼ100マイル移動したに違いないと計算しています。これは、宇宙線の相互作用によって生成されたミューオンが可能な距離よりもはるかに長い距離です。この軌道に沿ってこのミューオンをこれほどの距離まで推進するために必要な膨大なエネルギーは、科学者にそれが異常であるという事実を警告し、その起源も同様に異質であることを示唆しました。

では、それはどこから来たのでしょうか? 小さな幽霊のような粒子に、これほどの莫大なエネルギーを吹き込むことができるものは何なのでしょうか? 「このようなニュートリノを生成できるのは、宇宙で最も強力な発生源だけです」とドルニック氏は言います。「活動銀河核、特にブレーザーは、特に興味深い[潜在的な]発生源です。スターバースト銀河[からの]ガンマ線バーストも候補になる可能性があります。」

「活動銀河核」（AGN）という用語は、中心の超大質量ブラックホールが活発に物質を消費している銀河の中心部を指します。落下する物質は降着円盤を形成し、その結果生じる強力な磁場がこの物質の一部を、ブラックホールの極から円盤に垂直に噴出するジェットとして極めて高速で放出します。ドルニック氏は、ブレーザーはAGNの1つの特別な性質を持っていると説明します。「ブレーザーでは、ジェットは地球に向いています。」つまり、この高エネルギー物質（おそらく2023年2月に地球に向かって猛烈に飛んできたニュートリノを含む）がまっすぐに私たちに向かって吹き付けられることを意味します。

ドーニック氏は、これらの超高エネルギーニュートリノの起源について決定的な発言をする前に、さらなる研究が必要だと述べている。しかし、ネイチャー誌で発表されたニュートリノの検出は天文学にとって画期的な出来事だと同氏は言う。「[ニュートリノ]は、宇宙で最も破壊的な源の核心を研究するために使用できます。ニュートリノはまさにモンスターであり、太陽の何百万倍から何十億倍もの質量を持つ超大質量ブラックホールの活動に関連しています。この超高エネルギーニュートリノによって、私たちは宇宙に新たな窓を開いています。[これは]非常にエキサイティングな将来の結果の最初の石です。」