2010 年以来、南極の下の氷の中で凍結された検出器である IceCube は、深宇宙からニュートリノを捕らえてきました。宇宙はこれらのつかの間の、ほとんど質量のない粒子であふれていますが、IceCube はまれなサブセットを求めています。それらは、超新星、中性子星、ブラック ホールなどの遠方の宇宙加速器からのメッセンジャーです。 IceCube は 1 立方キロメートルの氷の中で約 300 の氷を捕らえましたが、それらの可能性のある出所を追跡することに成功していません。これまでのところ 2 つだけです。現在、南極の氷を北の深海と交換する新しい探知機から助けを得ようとしています。
今月、研究者たちは立方キロメートルニュートリノ望遠鏡 (KM3NeT) の建設に着手するため、シチリア沖の地中海にセンサーストリングを投下し始めます。一方、ロシアのチームは、世界で最も深い湖であるシベリアのバイカル湖の凍った表面に、検出器のストリングを深部に落とす作業を行っています。ギガトン体積検出器 (Baikal-GVD) はすでに半分完成しており、データを取得しています。 3 つ目の取り組みである太平洋ニュートリノ エクスプローラー (PONE) は、来年、カナダの西海岸沖で 1 つまたは複数のプロトタイプ ストリングを展開することを望んでいます。
ウプサラ大学の天体素粒子物理学者で IceCube チームのメンバーである Olga Botner は、次のように述べています。 「検出器が 3 つあれば、より多くのニュートリノが得られ、発生源を特定できる可能性が高くなります。」
毎秒何兆ものニュートリノがあなたの体を気付かれずに流れていますが、そのほとんどは太陽のような局所的な発生源からの低エネルギー ニュートリノです。 IceCube と他の「ニュートリノ望遠鏡」は、遠い宇宙で超高エネルギーに加速された荷電粒子 (宇宙線) がガスの雲を突き破って生成されるまれな高エネルギー ニュートリノを研究しています。宇宙線も地球に到達することができますが、宇宙の磁場の中をねじれた旅をたどるので、その源を簡単に追跡することはできません.無電荷ニュートリノは、その発生源を明らかにするより正確な飛行経路を提供します。ただし、研究者がそれらを捕まえることができる場合のみ.
非常にまれに、通過するニュートリノが原子核と衝突し、他の粒子が生成されます。水や氷の中で、これらの粒子は減速するときに閃光を放ちます。 IceCube には 5,000 個以上の光検出器が含まれており、深く透明な氷を監視して閃光のタイミングと明るさを特定します。研究者はそこからニュートリノのエネルギーと経路を再構築できます。
IceCube は、銀河系外にあると推定される高エネルギー ニュートリノを年間約 30 個キャッチします。これは、スターバースト銀河 (天の川銀河の数十倍の速さで巨大な高速燃焼星を形成する若い銀河) の超新星から発生すると予想される数とほぼ同じです。これらの星が死んで爆発するとき、超新星の近くの星形成ガスの密集した雲を衝突するときにニュートリノを生成する宇宙線を放出すると考えられています。
IceCube が銀河系外ニュートリノを検出する速度は、「これらが発生源であることを示す強力なヒントです」と、ワイツマン科学研究所の理論家 Eli Waxman は述べています。しかし、これまでのところ、可能性のある発生源にさかのぼる2つのニュートリノは、スターバーストではなく、銀河コアの超大質量ブラックホール（SMBH）から来たようです. 1つは地球に向けられたSMBHからのジェットであるブレーザーから来ているように見え、もう1つは今年初めに発表された、潮汐破壊イベントから来たようでした - SMBHが星を引き裂く.この問題を解決するには、研究者はより大きな検出器とより良いポインティングを必要としている、と Waxman は言います。 「この次世代では、個々のスターバースト銀河を識別します」と彼は言います.
水と氷の罠
IceCube の構築には、温水ジェットで南極の氷冠を掘削するのに 5 年かかりました。深海に検出器を構築することには、独自の課題があります。 40 メートル離れた位置に検出器が散りばめられた各 KM3NeT ストリングは、船からボールとして投下され、3.4 キロメートル下の地中海の床に沈むときに巻き戻されます。ブイが糸を直立させ、遠隔操作の潜水艇が糸を固定し、電力と通信ネットワークに接続します。チームは9月までに18本の弦を取り付ける準備をしています。 「これは大きな前進です」と、マルセイユ素粒子物理学センターのスポークスパーソンであるパスカル・コイルは言います。目標は、2026 年までに 230 のストリングと 4000 を超える光検出器を配置して、検出器を IceCube よりわずかに大きくすることです。
バイカル GVD の研究者は、より簡単な仕事をしています。今のところ、彼らは安全に凍った湖に乗り込み、ウインチを立て、ひもを水中に降ろすことができます。ロシア科学アカデミー核研究所のドミトリー・ザボロフ氏は、氷上での作業は「物事を展開するのを本当に簡単かつ安価にします」と述べています。チームはこれまでに 56 個のストリングを設置しており、2024 年までにさらに 40 個のストリングを設置して、IceCube のサイズの約 70% をカバーすることを目指しています。
氷の代わりに水を使用すると、新しい検出器が有利になります。水中での光の散乱が少ないため、粒子の飛跡をより正確にマッピングでき、ニュートリノの起源をより鮮明に把握できます。 KM3NeT は、ほぼ満月のサイズである IceCube の 0.5° と比較して、0.1° 未満の最高角度解像度を達成できると推定しています。
北半球の望遠鏡の位置もプラスです。ニュートリノ検出器は、上ではなく下を向いて、地球を通過したニュートリノを監視します。これは、多くのバックグラウンド粒子に対するシールドとして機能します。その結果、IceCube のビューは北の空になります。対照的に、北側の検出器は、南の天の川の中心部に見えます。これは、磁化された中性子星、銀河の SMBH、または天文学者が運が良ければ、新しい超新星などのニュートリノ源のホームである可能性が最も高いです。
10 年後には、ブリティッシュ コロンビア州沖の海洋実験用に設置された既存の電力およびデータ ケーブルのネットワークを利用する P-ONE が参加する可能性があります。 「これはプラグ アンド プレイ操作です」とミュンヘン工科大学のチーム リーダー Elisa Resconi 氏は言います。北に 3 つの望遠鏡が間隔をあけて配置されているため、「ほぼ全天を常に見ることができます」と Resconi 氏は言います。 「この分野を新しいレベルに引き上げるでしょう。」
研究者が特定のエネルギーのニュートリノをさまざまな種類の発生源に関連付けることができれば、究極の目的は、真のニュートリノ天文学を行うことです。つまり、宇宙を光子ではなく、ニュートリノで見ることです。ニュートリノは、そうでなければ見えない宇宙の暴力的なコーナーについてのニュースを伝えます。 Botner が言うように、「私たちは光子では見ることができない宇宙の部分を見たいのです。」
