ニュートリノのアイスフィッシング|物理

2000 年 2 月のある日の午後、長い 1 日の掘削の後、ブルースコチと私はキリマンジャロの 19,000 フィートの頂上にある火山クレーターの砂の上に一緒に座っていました。バックパックにもたれかかって夕日を眺めると、彼は自分のキャリアを思い出しました。

「私は掘削機になるために掘削業に携わったことはありません。私は機械が嫌いです。そんな風に感じているエンジニアは、世界でも数少ないかもしれません。私は彼らが大嫌いです…マシンがすべきでないことをしたことで、私が激怒する数少ないケースの 1 つです。」

「私は経験のためにここにいます。私はカヌー奏者としてこのことに入りました。私は航空宇宙の良い仕事を辞め、生態学に進むことを決め、ミネソタで始まった氷河学を通じて工学に戻りました。私はいつもその場所に来ました。私は穴あけをしに来たのではありません。掘削がうまくいくように全力を尽くします。そうすれば、別の良い場所に行けるからです。」

彼は氷河学の学位を取得していませんでした。彼は次のように述べています。氷河学。それで私は彼らに電話して、10月中旬くらいに電話で雇われ、2週間後にロス棚氷のために飛行機に乗りました。」

ロス棚氷は、南極のマクマード基地のそばの海面に浮かんでおり、基地の滑走路であるウィリアムズフィールドに安定したプラットフォームを提供しています。地球上で最大の浮氷で、フランスとほぼ同じ大きさです。ブルースは、1977 ～ 78 年の南極の夏に初めてこの場所を訪れました。

ネブラスカ大学は、国立科学財団と契約を結び、200 フィートの棚氷に穴を開けて、科学者グループがその下の海を研究できるようにしました。ドリルはいわゆるフレームジェットであり、鉱業で結晶岩を切断するために従来から使用されていました。それは 2 台の 10,000 ポンドのコンプレッサーで構成され、改良されたジェットエンジン (基本的には巨大なブンゼンバーナー) に 1,000 psi の空気を送り込み、水で満たされたうねる穴に降ろされ、炎と部分的に燃焼したディーゼル燃料を吐き出しました。 /P>

「まあ」とブルースは言いました。ロッタスモーク;それは本当に汚れています…しかし、それは棚氷を比較的迅速に突き抜けました。直径約 18 インチの穴を開けたので、科学者は物を下ろして実験を行うことができました。」

次の10年ほどの間、彼はウィスコンシン大学マディソン校のチャーリー・ベントレーという名の氷河学者が、南極大陸のさまざまな場所で熱水ドリル（基本的には園芸用のホース）を使って多数の短い穴を開けるのを手伝いました。耐震試験用の穴にダイナマイトを投入。彼は、内部が滑らかで、外側にねじ山があり、底に鋭い切削歯を備えた中空の管状のドリルを氷の中に繰り返し下げて、コアセグメントを切り出し、それらを引っ張る、アイスコア掘削の洗練された技術に熟達しました。 1メートルずつ上げます。彼はグリーンランドと北極を含む南極の多くの場所で氷床コアを掘削し、高高度氷床コア掘削の分野を発明する時間も見つけました。

1990 年の春までに、ブルースはほぼ頂点に達していました。彼は全部で約 30 のリモート掘削遠征に参加しており、地球上でのあらゆる形態のアイスドリリングの実践者として、間違いなく最も熟練した人物でした。極地アイスコアリングオフィスのディレクターであるジョン・ケリーがブルースのオフィスに足を踏み入れ、南極にニュートリノ望遠鏡を建設する可能性を探るために物理学者のグループがグリーンランドにいくつかの穴を掘るのを手伝うことに興味があるかどうか彼に尋ねたとき. 、彼はチャンスに飛びついた。 "絶対！"彼は言ったことを思い出した。「これは私の人生で聞いた中で最も素晴らしいプロジェクトです!必要に応じて夜も働きますが、眠れないだけです。」

1990 年 8 月、ウィスコンシン大学の物理学者であるボブモースとカリフォルニア大学バークレー校の大学院生であるティムミラーは、ミューオン (3 つの光電子増倍管からなる彼らの釣り糸) の知られている最初のアイスフィッシングを実施するためにグリーンランドに乗り出しました。モールスが掃除したチューブ.

ブルースは、前の夏に掘削した氷床コアの穴を用意しました。氷のコアの穴は氷河のせん断力によって時間の経過とともに崩壊するため、彼はこの穴を 217 メートルの深さまで広げました。物理学者は釣り糸を乾いた穴に落とし、最初の一連の測定を行いました。次に、光電管と氷の間の光結合を増やしたいと判断したため、穴に注ぐことができる液体が手元にあるかどうか掘削業者に尋ねました。グリーンランドの頂上には未凍結の液体はほとんどありませんが、GISP の穴が崩壊するのを防ぐための大量の酢酸ブチルが手元にありました。彼らは糸を覆うのに十分な量を穴に注ぎ込み、別のラウンドのデータを取りました.

「なぜ弦を引っ張らなければならないと思ったのかわかりません」とボブは言います。ワイヤーの外側のジャケットが完全に溶解し、近くにあるすべての雪とすべての液体がこの美しい紫青の色に変わりました…光の透過があるかどうか疑問に思いました。下降するチューブの写真を撮り、次に上昇するチューブの写真を撮り、チューブが上昇する写真は、大きなブドウのかき氷のように見えました。（ブルースはそれを「青いぬかるみ」と呼んでいました。）私の手袋には青があり、私の服には青があり、私の顔には青がありました..ただ、光学的には、一体何をしたのかわかりませんでした。」

Doug Lowder、Tim Miller、Buford Price、Andrew Westphal、Steve Barwick、Francis Halzen、Bob Morse で構成される、駆け出しの AMANDA (南極ミューオンとニュートリノ検出器アレイ) コラボレーションは、Nature に手紙を提出しました。、翌年9月に発行されました。 Francis は、ニュートリノ検出に極地の氷を使用するというアイデアは「まだクレイジーだが、それほどクレイジーではない」ことを示したことで、この「手紙が実験を開始した」と信じています。

「穴は、低い凝固点と光学的透明度のために選ばれた有機液体である酢酸ブチルで満たされていました」と書かれています。ブルースラッシュについての言及はありません。「これらの結果は非常に心強いものであり、今後の南半球の夏に南極でより広範な実験を計画しています…」

これは、疣贅とすべて、実験物理学が行われる方法です。ボブ・モースが書いているように、

グリーンランドは、チャンスをつかむために素早くまとめられた実験の本当に美しい例です。間違いは犯されました。欠陥のあるデータや完全ではないデータも非常に役立ちます。 AMANDA 実験は、後の AMANDA および IceCube 実験のすべての機能を備えています。その後の成功は、展開とデータ検索システムからバグを取り除くという単純な問題であり、簡単な作業ではありませんでした。実験者の…

Francis 氏は、「自分たちが何をしているのかまったくわかっていなかったことは明らかです。つまり、これは本当の調査でしたよね?」と付け加えています。

彼は、「多くの人がこの考えを持っていて、私よりも氷河学についてよく知っていて、明らかにそれは決してうまくいかないと結論付けたのではないか」と考えていました。「自分たちが何をしているのかを本当に知っていたら、おそらくそれをしなかったでしょう。そして実際、私たちが知るべきだった多くのことが真実ではないことが判明しました。」

今日の若い科学者への講義で、彼はときどき AMANDA の初期のことを格言の例として使用します。物事を行います。無知で幸運であることほど良いことはありません。」（それはうまくいきます。）独創的な発見をするのは、通常、受け入れられている知識に気づいていない若い人たちです。彼が40代後半に何か独創的なことをすることができた唯一の理由は、ナイーブという意味で「再び若者のように」なったからだと彼は信じています. 「独創的で新しい何かができるのは、あなたが無知で、まだすべての本を読んでいないときだけです。」

彼は今、実験主義への明確な一歩を踏み出していました。実験主義は、原始的な理論の論理によって支配されていません。多くの実用的かつ戦略的な考慮事項が関係するだけでなく、多くの場合、最も賢明な方法は、しばらく考えるのをやめて、ただそれを実行することです.

たとえば、当時の水と氷の光学に関する決定版の教科書を読んでいたら、純粋な氷での青色光の吸収長、つまり光の約 3 分の 2 が吸収される距離を「学んだ」ことでしょう。吸収された—約8メートルでした。それはショーストッパーだったでしょう。彼らは光電管をクラインとルビアに返して家に帰ったでしょう。チェレンコフ光が実際にその短い距離で吸収された場合、1 立方キロメートルの氷を満たすには 200 万個の光電管が必要であり、管だけで約 60 億ドルの費用がかかります。幸いなことに、この本は非常に間違っていることが判明しました。彼らはグリーンランドのデータから 18 メートルの推定値を得ました。これも間違っていることが判明しましたが、正しい方向への一歩でした.

数年後、彼らはまだ氷を理解するのに苦労していましたが、吸収長が実際には 18 メートルよりもはるかに長いという兆候が見られたとき、マディソンの図書館は誤って教科書をフランシスのオフィスに届けました。それは他の誰かのためのものでした。彼は自然にそれを閲覧し始め、約 8 メートルの吸収長のラインに到達したとき、悪寒が彼の背筋を駆け上がりました.

1991 年の南半球の春、Bob Morse、Bruce Koci、Steve Barwick、Tim Miller は AMANDA の最初の掘削を行うために南へ移動しました。暗黒物質の直接的な証拠を探す実験である PICO も、背が高く、気さくで、羽ばたきができず、信じられないほど強い英国人であるビルバーバーを含む掘削クルーに任務を与えました。

アイデアは、端にノズルが付いたホースを使用して、熱湯の平行な流れを氷にスプレーし、ノズルが溶けるにつれてノズルを自由落下させることです。温水ドリルに必要なのは、高圧の大量の非常に熱い水と、直径が大きく断熱性の高い側壁を備えたホースです。これにより、水が下降しても熱く保たれ、可能な限り多くの熱が外に運ばれます。ノズルと氷の中に。 (掘削が進むにつれて穴の上部の水が再凍結するのを防ぐために、側壁からいくらかの熱を逃がす必要があるため、ここでは少しバランスを取る必要があります。) ブルースはかつてそれを指摘しましたニュートリノ望遠鏡が大きすぎることはあり得ないのと同じ感覚です。それが最も効率的です。」これは明らかに精神的な構造です — ゼロ時間で無限の量の熱を提供するドリル — しかし、それは要点を理解しています:大量の熱と巨大なホースが必要です.

ブルースは、Bucky-1 が両方の点で重大な妥協点であることを知っていました。ホースの直径はわずか 1 インチで、暖房設備は、氷の上に立っている温水ボイラーの群れで構成されていましたが、0.5 メガワットの電力しか生成しませんでした。彼がロスで使用した最初の温水ドリルは、2 メガワットを生成しました。「[Bucky-1] が限界であることは知っていましたが、正確にどの程度限界があるかはわかりませんでした。なぜなら、これほど寒い氷の中で深く潜ろうとしたのは初めてだったからです。」彼は、彼らが 1,000 メートルに到達するまでに、水が下る途中で失う熱が暖房設備の出力を超えると計算しました。言い換えれば、ホースの底は凍結する可能性が高い.彼は、新しく開いた穴の水を再加熱するためにドリルを上げ下げするなど、凍結を防ぐためにさまざまなゲームをプレイできましたが、これには燃料がかかり、いずれにしてもトリッキーなビジネスでした.

「熱水掘削も気弱な人向けではありません」と彼は言います。「私たちは水をマイナス 50 度の場所に保とうとしていますが、それは良いことではありません。」

AMANDA のチームは、ドリル用の水を加熱するために使用した浴槽で恒星の魅力を維持していました。 NSF が注目して違法にするまでは、掘削現場でホットタブパーティーが開催されていました。掘削がうまくいっていなかったので、彼らが楽しんでくれてよかったです。

2 番ホールでは貪欲になり、1,000 メートルを目指しました。これにより、熱水掘削で起こりうる最悪の事態が発生しました。

「Bucky-1 に行き詰まりました」とボブは後に回想しました。「彼はまだそこにいます。」

「うん、レーダーマーカー」ブルースは言った。

デイブ・ケスターという名前のPICOドリラーがカーテンから頭を突き出し、悪いニュースをささやいたとき、ボブはサマーキャンプのジェームズウェイの1つで自分のキュービクルで寝ていました。 (3 つのシフトのうちの 1 つが常に眠ろうとしているため、サマーキャンプでは 1 日 24 時間沈黙が守られます。)

"私たちは何をすべきか？"デイブは尋ねました。「楽器を下ろすか、下ろすか？」

「なんてこった、わかりません」とボブは答えました。私たちは穴にこれだけ投資しました。そこにできることは何でも詰め込むべきです。」

彼はベッドから起き上がり、スティーブ・バーウィックを探しに行きました。「私は言った、『スティーブ、ああ、彼らはドリルを動かなくなった.朝、声を張り上げて「ティム・ミラー？ティム・ミラー?どこにいるの？一体どこにいるの？」…そして、建設作業員、6フィート4の男が起きて殺すと思った. スティーブ。スティーブは死ぬと思った .」

PICO は、それぞれが 1 日 12 時間働く 2 シフトのみの掘削作業を詳しく説明しており、掘削作業が滞っていたのは夜勤でした。ブルースは日勤で、掘削作業中はあまり眠れませんでした。勤務していないときでも脈拍を確認するためにぶらぶらしていましたが、災害が発生したとき、彼はたまたま寝ていました。ドリルが動かなくなっただけでなく、ホースの流れも止まっていました。これは、温水ドリルで抜け出せない唯一の状況です。

「これまでに熱水掘削を行ったことのある人は誰でも、人生で一度は十分な熱を持たないという過ちを犯したことがあります」とブルースは後に観察しました。彼は、彼らがこれまでに達成できたのは幸運だと思った.

彼らはキャタピラー D7 ブルドーザーでそれを引き抜こうとしました。

ボブによると、「あのひどいホースはバイオリンの弦のようでした…それは元の直径の約半分まで首を絞めていました…ビル・バーバーだけが勇気を持ってそこに行き、ホースが穴に落ちている間に立って、弓のこで切ります。そして、私たちはこのホースを見たり、音の速さでこの穴から消えていくのを見たり、聞いたりしました phewwwwww のように .」

それで、ドリルヘッドとホースの大部分が穴に落ちた状態で、彼らはボブの最初の眠そうな考えに基づいて行動し、とにかくマディソン/アーバインストリングの1つを展開しました.なんらかの理由で、ホースが邪魔だったり、穴が狭すぎたりして、150 メートルしか落ちませんでした。それから彼らは、表面からの光が検出器に到達し、検出される可能性のあるミューオン信号をあふれさせるのではないかと心配し始めました。光電子増倍管は非常に敏感でした。それらは、単一光子レベルとして知られるレベルで動作していました。つまり、個々の光の粒子を検出できました。

「私は周りを見回して、『その穴を塞がなければならない』と言った。プラグを差し込むにはどうすればよいでしょうか?」とボブは語ります。「周りにはアスベストといくつかの緑色のゴミ袋がありました。これを聞いたらエコピープルはうんざりするでしょう。私はアスベストの断熱材を袋に詰めてかさばり、この穴からはじき落とし、軽いシールを作ろうとしました…私は私は3つまたは4つを投げたと思います。持てる限りの数を投げました。」

実験物理学、傷、その他すべて。

マーク・ボーエンは作家で物理学者です。彼はのために書いたクライミング、自然史、科学、テクノロジーレビュー、および AMC Outdoors に所属し、1998 年から AMANDA と IceCube に携わっています。

主な画像クレジット:Stephan Richter、IceCube/NSF