地中海の海底に巨大なニュートリノハンターを建設

ニュートリノは光より速く動くかどうかはわかりませんが、いずれにしても特別な小さな物体です。ニュートリノは惑星やあなたの中、あらゆるものの中を高速で移動しますが、電荷を持たず小さな粒子であるため、周囲との相互作用はごくわずかで、他の粒子はほとんど気付きません。

これらの素粒子は非常に小さく、動揺しないため、ほとんど目に見えないが、宇宙で最も激しく破壊的なプロセスのいくつかで発生している。深宇宙で発生する高エネルギーニュートリノは天体ニュートリノと呼ばれ、ガンマ線バースト、ブレーザー、クエーサー、銀河の中心にあるブラックホールなど、宇宙で最も強力な場所の暗い中心から脱出する。ニュートリノはこれらの激動の場所からの宇宙の使者として機能できるが、まずはニュートリノを見つけなければならないが、これは非常に困難である。そこでヨーロッパの科学者たちは、ニュートリノを探すためだけに、人類がこれまでに建設した中で2番目に大きい構造物を建設することを計画している。

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地中海の海水深 3,200 フィートの下に設置された KM3NeT と呼ばれるニュートリノ検出器は、地球を通過するニュートリノを観測するために海底をじっと見つめる。3 立方キロメートルに及ぶこの検出器は、世界で最も活発な海域の 1 つで新しい海洋観測所としても機能し、生物学者がクジラの鳴き声を聞いたり、発光生物を研究したりするのに役立つ。このプロジェクトに携わる国立原子核物理学研究所のスタッフ研究員である物理学者ジョルジオ・リコベーネ氏は、これは万里の長城に次ぐ人類最大の建造物になると語る。「問題は、誰もそれを見ることができないことです」と同氏は笑いながら語った。

リコベーネ氏によると、目標は宇宙の大変動で発生した天体ニュートリノを見つけることだという。ニュートリノは、未知の発生源から地球に降り注ぐ陽子束である宇宙線の起源を説明するのに役立つ可能性がある。銀河、太陽、そして地球自体が作り出す磁場を通過するには、これらの宇宙線は信じられないほど強力でなければならないが、宇宙線は光のように発生源を指し示すことはない。ニュートリノは、その経路を再構築するのに役立つ可能性がある。

「このエネルギーでは、非常に遠くから来る高エネルギー粒子はニュートリノだけです。ニュートリノを観測することで、遠く離れた激しい宇宙を探ることができるのです」とリコベーネ氏は言う。

これを実現するために必要な巨大な検出器は、英国からルーマニアまで10カ国40の研究所や大学グループを含む全欧州規模の取り組みである。11月24日、イタリア研究省は、37,200個の光電子増倍管モジュールを備えた30基の水中塔で構成される検出器の最初の部分に2,080万ユーロ（2,770万ドル）を承認した。これらの小さなデジタルカメラは、ニュートリノの到来を告げる特徴的な閃光を捉えることになる。

ニュートリノの性質

イタリアの物理学者の別のグループが、光より速いという、いまだ議論の的となっている主張をし、この秋ニュースになるまで、一般の人々の多くは「ニュートリノ」という言葉を聞いたことがなかっただろう。OPERA 実験で垣間見られた、高速とされるニュートリノは、陽子ビームで生成され、ジュネーブからアルプス山脈の地下、物理学実験室の上にあるイタリアの山、グランサッソまで投げ込まれた。その実験でニュートリノは、ニュートリノを興味深いものにしている多くの奇妙な動作の 1 つである振動の兆候がないか監視されていた。(光より速いという発見は、当時も今もまったくの驚きである。)

地球上のニュートリノを観察することで、物理学者は遥か遠く激しい宇宙を探ることができる。ニュートリノは、太陽、原子炉、宇宙線と他の物体の衝突など、特定の種類の放射性崩壊で生成される。粒子と力の標準モデルによれば、電子ニュートリノ、タウニュートリノ、ミューオンニュートリノの3種類があり、これらはフレーバーと呼ばれている。ニュートリノはこれら3つのフレーバーの間で変化することがあるが、これは日本と米国で、宇宙が無ではなく何かでできている理由を調査するために利用されてきた不思議な現象である。

これらは中性です。エンリコ・フェルミがイタリア語で「小さな中性者」という意味で名付けたこの名前の通り、これらは現実世界の他の部分をほとんど妨げられることなく移動することができます。マサチューセッツ工科大学の素粒子物理学者、ピーター・フィッシャー氏による例を挙げましょう。高エネルギーの電子を厚さ 3 センチ程度の金属片に打ち込むと、金属原子内の他の粒子と相互作用します。この衝突で電子は多くのエネルギーを失い、他の亜原子粒子が生成され、それを検出することができます。

「同じエネルギーのニュートリノの場合、ニュートリノの相互作用の強さははるかに小さいため、1光年ほどの重金属が必要になります」とフィッシャー氏は語った。「粒子を検出するときはいつでも、粒子が水、鋼、空気、氷など何らかの物質と相互作用していることになります。粒子の相互作用が少ないほど、相互作用に必要な物質が多くなります。」

KM3NeT は、光年サイズの金属片の代わりに海を使用します。仕組みは次のとおりです。宇宙のどこかで、宇宙で最も強力な力の 1 つが素粒子を構成要素に分解し、超エネルギー ニュートリノを生成します。偶然にも、これらの粒子のいくつかが私たちの銀河系に飛んで地球に到達し、そこで荷電粒子の反応を引き起こす可能性があります。これはビリヤードのゲームのようなものだと考えてください、とリコベーネは説明します。

「ニュートリノは原子核を形成するビリヤードボールの集まりである『城』を破る弾丸です。この城を破ると、放出粒子が生成される可能性があるのです」と彼は語った。もしそれがミューオン（電子のずっと大きな親戚である荷電粒子）であれば、これは朗報だ。ミューオン形成はチェレンコフ放射として知られる青い光の円錐を放射する。物理学者が幸運であれば、その閃光は南極の氷や地中海の深海のような透明で深い媒体で起こるだろう。

「これはミューオンの軌道を再構築するために私たちが探している光です」とリコベーネ氏は言う。「ですから、この意味では、これは水中望遠鏡です。水のおかげで、反応をより鮮明に見ることができます。」

検出器は地球を通して下を覗くことで、迷い込んだ大気ニュートリノを発見する確率を最小限に抑えます。検出媒体として機能するほか、数千フィートの海水が二次粒子シールドとして機能します。

3キロメートルのネット

こうした光観測を可能にする技術は、当然ながらかなり複雑です。青い閃光を検出する光学センサーは光電子増倍管と呼ばれ、それぞれが単一の光子によって生成される電子信号を記録できます。IceCube やその前身である Antares や AMANDA などの従来の検出器では、光電子増倍管は単次元で、ひもに取り付けられていました。KM3NeT では、デジタル光学モジュールと呼ばれる球形の圧力容器に光電子増倍管を組み込み、水中タワーに取り付けます。

「これにより解像度と追跡性能が向上します」とリコベーネ氏は言う。「大面積の光電管 1 個では、到達方向の情報は得られませんが、小型の光電管を複数個使用すれば、方向がわかります。」

タワーネットワークの構成はまだいくつか考えられますが、全体では数立方キロメートルの容積になります。これが、キロメートル立方ニュートリノ望遠鏡を意味する KM3NeT という名前が付けられた理由です。タワー自体の高さは 800 メートル (2,624 フィート) 以上になります。現在はまだ計画段階ですが、ドバイのブルジュ ハリファ タワー (高さ 2,723 フィート) よりも高くなる予定です。

光学モジュールは、海面下 20,000 フィートにほぼ相当する 6 気圧の圧力に耐えられるように構築されます。17 インチの球体にはそれぞれ 3 インチの光電子増倍管が 31 個搭載され、各光電子増倍管は集光リングに囲まれて集光面積をさらに拡大します。DOM には、音響圧電センサー、コンパス、傾斜計、ナノビーコンなどの較正センサーも搭載されます。

これらは 20 フィートの長さのバーに取り付けられ、各検出ユニットには 40 本のバーが接続される。リコベーネ氏によると、この検出器は海底の塔のように見えるという。水 1 立方キロメートルあたり約 100 台のユニットが設置される。ネットワーク全体は中央のステンレス スチール チューブで接続され、このチューブには数マイル離れた海岸ステーションと検出器を接続する光ファイバーが組み込まれる。

KM3NeT は、少なくとも大気ニュートリノを検出する能力に関しては IceCube よりも感度が高くなるように設計されており、これは物理学者が実際にテストできるものです。しかし、天体ニュートリノに関しては、その解像度がどうなるかは誰にもわかりません。

「誰も見たことがありません」とリコベーネ氏は言う。「大気中のミューオンについては1秒あたり3,000個程度のミューオンを検出できると期待していますが、天体物理学上のミューオンについては、まだ推測の域を出ません。」

リコベーネ氏によると、光電子増倍管モジュールはすでに製造中で、エンジニアが計画を進めている中で、いくつかのモジュールがすでにさまざまなテスト段階で配備されているという。現時点では、検出器の最終設計はまだ不確定である。これは、ヨーロッパの複数の研究機関からの資金提供も不確定だからである。選択肢はいくつかある。アイスキューブの 5 倍の大きさの巨大な検出器、または 3 つの異なる場所に 3 つの検出器に分割するなどである。KM3NeT は、アンタレスと呼ばれるより小型のヨーロッパの検出器など、既存の検出器と連携して動作することもできる。

KM3NeT はこれまでで最大の検出器だが、超大型で超高感度の検出器の長い歴史の中で最新のものにすぎない。最も近い同族の IceCube 検出器は 1 年足らず前に完成し、フル稼働の観測能力での最初の 1 年間のデータが利用可能になるのはあと 6 か月も先になる。研究者は地球上で発生した大気ニュートリノを多数観測しているが、天体物理学的なニュートリノは少なくとも今のところは観測していないと、メリーランド大学物理学部の教授兼副学部長で IceCube の広報担当であるグレッグ サリバン氏は述べた。

「我々は興味深い制限をいくつか設定し、いくつかのモデルを除外し始めました」と彼は語った。「理論家たちがまだ知らないパラメータがいくつかあります。」

IceCube と KM3NeT は多くの点で似ている。どちらも地球をフィルターとして利用して背景放射を遮断し、ニュートリノを見つけ、どちらも深く高密度の媒体を利用してチェレンコフ光を探す。しかし、両者は空の異なる部分を見る。IceCube は北の空を、KM3NeT は南の空を見る。ちなみに、南は惑星から見た銀河中心の方向だ。IceCube は 1 立方キロメートルで、KM3NeT は 3 立方キロメートルと、かなり小さいとサリバン氏は言う。

「大型ニュートリノ望遠鏡のアイデアは何十年も前からあり、物理学者たちはずっと、深海で行うのが最も簡単だと考えていた。既存のインフラのおかげで、南極でそれを行うのが比較的安価で効率的であることが判明した」と彼は語った。

ニュートリノのようなものを探すときは、できるだけ大きな空間容積が必要です。しかし、このように低フラックスのものを探すときは、できるだけ大きな容積が必要なので、アイスキューブは大きさが足りないかもしれません。KM3NeT が最初に構想されたとき、物理学者たちはアイスキューブと同じ大きさの別の観測所を作ることを検討しましたが、初期の結果、あるいは結果の欠如が、それをさらに大きくするきっかけになったとリコベーネは言います。KM3NeT はアイスキューブの 2 倍から 3 倍強力になると、彼は言います。

しかし、これが正しい戦略だと誰もが同意しているわけではない。MITのフィッシャー氏は、物理学者が天体ニュートリノが見つからない他の理由を考え始める前に、どの程度の大きさが十分に大きいとみなされるのか疑問に思っている。

「物理学界には、これらの粒子は加速器で生成できる最も高いエネルギーを持つ粒子だと主張するグループがある。それは事実だ。そして、これらの粒子は宇宙について何か違うことを教えてくれるかもしれない。それは事実だ。しかし、すべては『可能性』にすぎない。そして、これらの実験から何か新しいことを教えてくれるものは見たことがない」と彼は語った。「私が考えるには、もし何かが見られたら、もし大型ハドロン衝突型加速器で何か興味深い新しい粒子が作られて、その特性について何か知っていたら、何を探すべきか、どんな種類の検出器を作ればよいかがわかるだろう。しかし、これまではただどんどん大きく作っていくだけではうまくいかなかった」

KM3NeT の協力者たちは、パターン認識プロセスや光モジュールのエラー率など、確率を向上させるアルゴリズムの開発に今も取り組んでいる。

複雑な物理学が新たなコラボレーションを推進

少なくとも、超強力な亜原子粒子間の複雑な相互作用を理解しようとする一方で、これらの巨大な観測所は他の科学者にもいくつかの付加的な利益をもたらす。彼らの検出器である海洋をよりよく理解するために、KM3NeT の科学者たちは海洋学者と協力しているとリコベーネ氏は語った。

「海は私たちの検出器であり、私たちは検出器がどのように機能するかを知る必要があります」と彼は言いました。「主な問題の一つは、深海の細菌による発光で、これが光電子増倍管に影響を与える可能性があります。予測される範囲はどれくらいか、海流との相関関係は何かなどについて生物学者が説明する必要があります。一方、これは非常に感度の高い機器であり、これらの光電子増倍管は深海で新しいものを発見するのに役立つ可能性があります。」

光学モジュールには水中聴音機も搭載されており、海洋学者はこれを使ってクジラの鳴き声を聞くことができる。

アイスキューブチームは氷床コアを研究する研究者らと共同研究している、とサリバン氏は語った。南極の氷に埋め込まれた塵の粒子は、10万年分の火山活動の記録を提供する可能性があり、これらのコアサンプルは、カメラを挿入するために掘削した物理学者だけでなく、氷河学者にとっても有用である。

KM3NeT コンソーシアムは昨年冬、検出器構成のオプションを詳述した主要な技術レポートを発表しており、技術的なハードルのほとんどはすでに解決されている。現時点では、この巨大な構造物を建設するには資金とヨーロッパの地政学が問題となる。たとえば、主要な協力者の 1 社はギリシャに拠点を置いており、ギリシャは世界的金融危機で打撃を受けている。リコベーネ氏は、まだいくつかのオプションがあり、プロジェクトは前進し続けると確信していると述べた。イタリアセクションの資金が確保されれば、来年中に予備的な建設を開始できる可能性がある。

KM3NeT が数百ギガ電子ボルトから約数十億テラ電子ボルトまでの計画されたエネルギー範囲の分解能を達成すれば、探すものはたくさんあるだろう。その範囲では、物理学者はモノポールや暗黒物質候補のような珍しい粒子を探すことができるかもしれない。しかし、主な目標はやはり、宇宙で最も一般的でありながら最もユニークな粒子の 1 つである天体ニュートリノである。