南極の氷が宇宙を映す—ニュートリノ天文学の夜明け
ニュートリノ検出器IceCube（アイスキューブ）の開発を主導したフランシス・ハルツェンが、2026年のノーベル物理学賞を受賞した。受賞理由は「IceCubeニュートリノ天文台への決定的な貢献と、天体物理学的起源を持つ高エネルギーニュートリノの発見」である。ニュートリノ研究でのノーベル賞受賞は今回で5度目となる。1988年のミューオンニュートリノ発見、1995年のニュートリノ検出、2002年の宇宙ニュートリノ検出、2015年のニュートリノ振動に関する受賞に続く栄誉である。
検出困難な幽霊粒子
ニュートリノが何度もノーベル賞の対象になるのは、この粒子の性質の難しさに尽きる。プロトンや電子と異なり、ニュートリノは電荷を持たない。粒子加速器で生成することは可能だが、検出器には反応しない。中性子も電荷がないが、プロトンと同程度の質量を持ち、検出しやすい荷電粒子に崩壊する。ニュートリノは質量が極めて小さく、かつて質量がないと考えられていたほどである。
実際には微小な質量を持つが、その質量は三つの状態の間を振動する。電子の正確な位置が決定できないのと同じく、個別のニュートリノの質量も確定できない。それらは主に弱い力を介した相互作用のみ行うため、他の粒子との衝突は極めて稀である。衝突時に発生する粒子シャワーを観測することが、唯一の実際的な検出方法となる。
南極の氷という巨大検出器
ニュートリノを検出する主要な手法は二つある。一つは粒子加速器からのニュートリノビームを遠く離れた検出器に照射する方法で、もう一つは純水のタンクを光検出器で囲む方法である。最良の水タンク検出器でも、太陽由来のニュートリノのみ観測可能であり、50,000トンの水タンクが必要とされる。
1987年の大マゼラン雲の超新星時に複数の天文台でニュートリノが検出された事例を除き、太陽系外からのニュートリノ検出は成功していなかった。この状況を一変させたのがIceCubeニュートリノ天文台である。
従来の検出感度を高めるには、ただ大きなタンクを建設するしかないが、超純水の大型タンク建設は極めて困難である。しかし水が液体である必要はない。南極には氷が豊富に存在する。南極点に設置されたIceCubeは、既に存在する南極大陸の氷床深部に検出器を埋設するという革新的な発想で、立方キロメートル単位の氷を検出媒体として活用している。これは実質的にギガトン規模の検出器であり、宇宙由来のニュートリノイベントを観測するのに十分な感度を有する。
IceCubeにより、超新星ニュートリノバースト、重力波信号と相関するニュートリノイベント、宇宙線由来のニュートリノが初めて検出され、ニュートリノ天文学という新しい観測分野が開拓された。この構想の立案者がハルツェンであり、その実現がノーベル物理学賞の栄誉につながったのである。
出典: Universe Today
