ニュートリノは光より速く移動するかどうかは定かではありませんが、いずれにせよ、特別な小さな粒子です。惑星やあなたの中、そしてあらゆるものを高速で通過しますが、電荷を持たず、非常に小さいため、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づかないほどです。
これらの素粒子は非常に小さく、揺るぎなく、ほとんど目に見えないほどですが、宇宙で最も激しく破壊的なプロセスのいくつかに由来しています。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、宇宙で最も激しい場所の暗い中心、つまりガンマ線バースト、ブレーザー、クエーサー、そして銀河中心のブラックホールから放出されます。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する可能性がありますが、まず私たちはニュートリノを見つけなければなりません。これは非常に困難です。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番目に大きな建造物を建設する計画を立てています。
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地中海の海水深3,200フィート（約1,000メートル）に設置されたニュートリノ検出器「KM3NeT」は、地球を伝わるニュートリノを観測するため、海底を観測します。3立方キロメートルのこの検出器は、世界で最も活発な海域の一つであるこの海域における新たな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を支援します。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、物理学者ジョルジオ・リッコベーネ氏によると、これは万里の長城に次ぐ人類最大の建造物となるでしょう。「問題は、誰もそれを見ることができないことです」と彼は笑いながら言いました。
リコベーネ氏によると、目標は宇宙の大変動に由来する天体ニュートリノを発見することだ。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解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り抜けるには、これらの宇宙線は非常に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たどることはできない。ニュートリノは、その進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、はるか遠くの激しい宇宙を探ることができるのです」とリコベーネ氏は述べた。
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汎欧州的な取り組みです。11月24日、イタリア研究省は検出器の最初の部分、37,200個の光電子増倍管モジュールを備えた30基の水中塔に2,080万ユーロ（約2770万ドル）の予算を承認しました。これらの小型デジタルカメラは、ニュートリノの到来を告げる決定的な閃光を捉えます。
ニュートリノの性質
イタリアの物理学者グループが、いまだ議論の的となっている光より速いニュートリノを発見したという主張が今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実験で観測されたとされる高速ニュートリノは、陽子ビームの中で生成され、ジュネーブからアルプス山脈の麓、グラン・サッソ（物理学研究所の頂上にあるイタリアの山）まで投げ込まれた。こ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する数々の奇妙な挙動の一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、当時も今も全くの驚きである。）
地球上でニュートリノを観測することで、物理学者は遥か彼方、そして激しく変動する宇宙を探ることができます。ニュートリノは、太陽、原子炉、宇宙線と他の天体との衝突など、特定の種類の放射性崩壊によって生成されます。粒子と力の標準模型によれば、ニュートリノにはフレーバーと呼ばれる3つの種類があります。電子ニュートリノ、タウニュートリノ、ミューニュートリノです。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という不思議な現象を利用して、宇宙がなぜ無ではなく何かでできているのかを解明しようと、日本とアメリカで研究が進められています。
彼らは中性です。エンリコ・フェルミによって名付けられたこの名前は、イタリア語で「小さな中性者」を意味します。つまり、彼らは現実世界の他の部分をほぼ妨げられることなく移動できるということです。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。高エネルギー電子を例えば厚さ3センチの金属片に照射すると、電子は金属原子内の他の粒子と相互作用します。これらの衝突で電子は多くのエネルギーを失い、結果として検出可能な他の亜原子粒子が生成されます。
「同じエネルギーを持つニュートリノの場合、1光年分もの重金属が必要になります。ニュートリノの相互作用の強さははるかに小さいからです」とフィッシャー氏は述べた。「粒子を検出する際には、常に粒子が何らかの物質、例えば水、鉄、空気、氷など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の量は多くなります。」
KM3NeTは、光年ほどの大きさの金属片の代わりに、海を使用します。その仕組みはこうです。宇宙のどこかで、宇宙で最も強力な力の一つが素粒子を構成要素に分解し、超高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到達し、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。「ビリヤードのようなものだと考えてください」とリコベーネ氏は説明します。
「ニュートリノは、原子核を形成するビリヤードの玉の集まりである『城』を打ち破る弾丸です。この城を破ると、放出粒子が生成される可能性があります」と彼は述べた。もしそれがミューオン（電子のはるかに大きな親戚である、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。物理学者たちが幸運であれば、その閃光は南極の氷や地中海の深海のような、透明で深い媒質で発生するだろう。
「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のはまさにこの光です」とリコベーネ氏は述べた。「つまり、これは水中望遠鏡と言えるでしょう。水のおかげで、反応をより鮮明に観察できるのです。」
検出器は地球を通して下を観測することで、迷い込んだ大気ニュートリノを検出する確率を最小限に抑えます。検出器は検出媒体として機能するだけでなく、数千フィートの海水が二次的な粒子シールドとしても機能します。
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、当然のことながら、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から発生する電子信号を検出します。IceCubeやその前身であるAntares、AMANDAといった従来の検出器では、光電子増倍管は単次元構造で、紐状のものに設置されていました。KM3NeTでは、これらの光電子増倍管をデジタル光学モジュールと呼ばれる球状の圧力容器に収め、海底タワーに設置します。
「これにより解像度と追跡性能が向上します」とリコベーネ氏は述べた。「大面積の光電管1つでは、到来方向に関する情報は得られませんが、小型の光電管を複数使用すれば、方向が分かります。」
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体積をカバーします。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という名称の由来です。タワー自体の高さは800メートル（2,624フィート）を超え、現在はまだ計画段階ですが、ドバイのブルジュ・ハリファ（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、海面下約6,000フィートに相当する6気圧に耐えられるよう設計されます。直径17インチの球体には、直径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おり、集光面積をさらに拡大します。DOMには、音響ピエゾセンサー、コンパス、傾斜計、ナノビーコンなどの校正センサーも搭載されます。
これらは長さ20フィートのバーに設置され、各検出ユニットには40本のバーが接続されます。リコベーネ氏によると、この検出器は海底タワーが連なったような外観になります。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ます。ネットワーク全体は中央のステンレス鋼管で接続され、この管には光ファイバーが組み込まれ、数マイル離れた陸上ステーションと検出器を接続します。
KM3NeTは、少なくとも大気ニュートリノの検出能力においてはIceCubeよりも高感度に設計されており、物理学者が実際に検証できる範囲です。しかし、天体ニュートリノに関しては、その分解能がどの程度になるかは誰にも分かりません。
「まだ誰も見ていません」とリコベーネ氏は言った。「大気中のミューオンなら毎秒3000個程度検出できると期待していますが、天体物理学的な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されており、エンジニアたちが計画を進めている中で、いくつかのモジュールが様々な試験段階にすでに設置されているという。現時点では、検出器の最終設計は未確定であり、これは複数の欧州研究機関からの資金提供も不透明だからだ。いくつかの選択肢があり、アイスキューブの5倍の大きさの巨大な検出器を使うか、3つの異なる場所に3つの検出器に分割して設置するかのどちらかだ。KM3NeTは、より小型の欧州製検出器「アンタレス」など、既存の検出器と連携して動作させることも可能である。
KM3NeTは圧倒的に最大規模ですが、超大型・超高感度検出器の長い歴史の中で最新のものに過ぎません。最も近い親戚であるアイスキューブ検出器は完成から1年も経っておらず、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ヶ月も先です。研究者たちは地球上で発生した大気ニュートリノを多数観測してきましたが、天体ニュートリノは観測していません。少なくとも今のところは、とアイスキューブの広報担当でメリーランド大学物理学部の教授兼副学部長を務めるグレッグ・サリバン氏は述べています。
「興味深い限界をいくつか設定し、いくつかのモデルを除外し始めました」と彼は述べた。「理論家たちがまだ知らないパラメータもいくつかあるのです。」
IceCubeとKM3NeTは多くの点で類似している。どちらも地球をフィルターとして利用し、背景放射を遮断してニュートリノを探知する。また、どちらも深く高密度の媒質を利用してチェレンコフ光を探す。しかし、観測する天空の位置は異なる。IceCubeは北の空を観測するのに対し、KM3NeTは南の空を観測する。ちなみに、南は地球から見た銀河中心の方向だ。また、IceCubeは1立方キロメートルであるのに対し、KM3NeTは3立方キロメートルと、はるかに小さいとサリバン氏は述べた。
「大型ニュートリノ望遠鏡の構想は何十年も前からあり、物理学者たちは常に深海で実現するのが最も簡単だと考えていました。既存のインフラのおかげで、南極で実現するのが比較的安価で効率的であることが判明しました」と彼は述べた。
ニュートリノのようなものを探すには、できるだけ大きな空間が必要です。しかし、ニュートリノのように低フラックスのものを探すには、できるだけ大きな空間が必要です。そのため、IceCubeで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IceCubeと同じ大きさの観測所をもう一つ作ることを検討しましたが、初期の成果、あるいは成果の欠如が、それをさらに大きくすることを促したとリコベーン氏は言います。KM3NeTはIceCubeの2～3倍の性能になるとリコベーン氏は言います。
しかし、これが正しい戦略だと誰もが同意するわけではない。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「十分大きい」とみなされるのか疑問に思っている。
「物理学界の中には、これらは加速器で生成できる可能性のある最も高いエネルギーを持つ粒子だと主張する人々がいます。それは事実です。そして、宇宙について何か新しいことを教えてくれるかもしれません。それは事実です。しかし、すべては『可能性』の話です。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、今のところ見ていません」と彼は述べた。「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生成されたら、その特性について何か知っていれば、何を探すべきか、どのような検出器を作ればよいかがわかるはずです。しかし、ただどんどん大きな検出器を作ろうとするだけでは、今のところうまくいきません。」
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、これらの巨大な観測所は、超強力な亜原子粒子間の複雑な相互作用を解明しようとする一方で、他の科学者にもいくつかの付加的な利益をもたらします。リコベーネ氏によると、KM3NeTの科学者たちは、その検出器である海洋をより深く理解するために海洋学者と協力しているとのことです。
「海は私たちの検出器であり、検出器がどのように機能するかを知らなければなりません」と彼は述べた。「大きな問題の一つは、深海のバクテリアによる発光で、これが光電子増倍管に影響を与える可能性があります。予測される範囲や海流との相関関係などについて、生物学者の意見を聞く必要があります。一方で、これは非常に高感度な機器であり、光電子増倍管は深海で新たな発見を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器も搭載されており、海洋学者はこれを使ってクジラの歌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協力してきたとサリバン氏は述べた。南極の氷に埋め込まれた塵粒子は、10万年にわたる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非常に有用である。
KM3NeTコンソーシアムは昨冬、検出器構成の選択肢を詳述した主要な技術報告書を発表しており、技術的なハードルのほとんどは既に解決されています。現時点では、この巨大な構造物の建設は資金と欧州の地政学的な問題となっています。例えば、主要な協力者の1人はギリシャに拠点を置いており、ギリシャは世界金融危機の影響を大きく受けています。リッコベーネ氏は、まだいくつかの選択肢があり、プロジェクトは前進し続けると確信していると述べています。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が開始される可能性があります。
KM3NeTが計画されている数百ギガ電子ボルトから数十億テラ電子ボルトまでのエネルギー範囲分解能を達成できれば、探査すべきものは山ほどあるでしょう。物理学者は、この範囲でモノポールや暗黒物質候補のようなエキゾチックな粒子を探せるかもしれません。しかし、主な目標は依然として、宇宙で最も一般的でありながら、最も特異な粒子の一つである天体ニュートリノです。
