南極の氷の中で暗黒物質の手がかりを探す科学実験

2004 年以来、毎年 12 月になると、エンジニアたちは南極に飛び、氷に 8,000 フィートの深さの穴を掘っている。チームは、ミラーボール大の光センサー 60 個を取り付けたケーブルを穴に下ろし、氷結させる。これまでに、各辺 0.5 マイルの格子状に 79 個の穴をあけ、今月中に残りの 7 個を掘る予定だ。その結果、宇宙粒子を探す 5,320 個のセンサーを詰め込んだ氷の立方体、アイスキューブ ニュートリノ観測所が誕生する。

ニュートリノは、放射性崩壊または核反応によって生成される素粒子です。他の種類の太陽系外放射線と同様に、ニュートリノはエネルギーの強い宇宙現象から発生し、絶えず地球に降り注いでいます。しかし、ニュートリノは宇宙粒子の中では電荷を帯びていないという点で独特です。恒星や惑星の磁場が荷電粒子の進路を曲げるため、科学者がニュートリノの起源を特定することは不可能です。しかし、ニュートリノは直線的に飛行するため、1 つを捕らえれば、それが何であれ、それが何であれ、それが何であれ、その発生源をたどることができます。そのため、ニュートリノは宇宙の果てを探る最も簡単な方法の 1 つとなっています。

しかし、ニュートリノを検出するのは、漁網でノミを捕まえようとするようなものだ。ニュートリノ粒子は非常に小さいため、原子に当たることもなく、毎秒何兆個ものニュートリノが地球を通過している。そこでアイスキューブの研究者たちは、ニュートリノの間接的な証拠を見つけるために巧妙な技術を採用している。

毎日、アイスキューブを通過する数十個のニュートリノが氷の中の水素原子または酸素原子に衝突し、青い光を発するミューオンと呼ばれる別の粒子を放出する。南極のほぼ純粋な氷では、写真センサーがフットボール競技場ほど離れた場所でそのような閃光を捉えることができる。そして、数十個のセンサーが各ミューオンを記録することで、科学者は氷の中のニュートリノの正確な経路を三角測量し、その発生源を推定することができる。

アイスキューブのサイズのおかげで、超高エネルギーニュートリノを測定できる。ニュートリノはロジャー・フェデラーのサーブ1発分に相当するエネルギーを持つ粒子だ、とアイスキューブの出力を監視するローレンス・バークレー国立研究所の物理学者スペンサー・クライン氏は言う。同氏によると、これらのニュートリノの発生源は謎に包まれている。主な原因は、強力な粒子のジェットを吐き出す超大質量ブラックホールか、中性子星とブラックホールの衝突だ。「あるいは未知の何かかもしれません」とクライン氏は言う。「そのような高エネルギー粒子がどうやって発生するのか説明するのは難しいですが、存在することは明らかです。」

彼によると、その未知の何かとは、宇宙の90パーセントを占める目に見えない質量である暗黒物質かもしれない。暗黒物質の存在は1933年に提唱されたが、科学者たちはそれが何であるか、どのように作用するかについてまだほとんどわかっていない。1つの理論は、暗黒物質は弱く相互作用する粒子で構成されているというものだ。これらの粒子が十分に集まると、互いに消滅してニュートリノのバーストが発生する可能性があり、アイスキューブがそれを検出することで暗黒物質のいくつかの特性を明らかにするのに役立つ可能性がある。ニュートリノが地球または太陽から発生したものであれば、暗黒物質粒子が存在し、重力によって引き寄せられていることが確認できる。また、太陽が地球よりも比較的多くのニュートリノを放出している場合、それは暗黒物質粒子が水素とより強く相互作用していることを示しており、物質の量子的挙動に関する洞察が得られる。

アイスキューブの最後の7本のセンサーが設置されると、1日に100個のニュートリノを検出できるようになる。これは、2年前に完成したフランスのニュートリノ検出器アンタレスの14倍にあたる。アイスキューブは、宇宙線、暗黒物質、宇宙の進化に影響を与えるその他の物体の発生源を科学者が特定するのに役立つだけでなく、予期せぬ発見ももたらすだろうと、アイスキューブの主任研究者であるフランシス・ハルゼン氏は言う。ガリレオの屈折望遠鏡からハッブル宇宙望遠鏡まで、科学者がより忠実度の高いツールを宇宙に向けるたびに、何か新しいものが見つかる、と彼は指摘する。「アイスキューブが分離した粒子のペアを観測した場合、それは超対称性、つまりまったく新しいタイプの物質である可能性があります」とクライン氏は言う。「それは非常にエキサイティングです。」