グリーンランドの氷床の上空で、研究者たちは今週ボーリング孔を掘削している。しかし、彼らは過去の気候の手がかりを探している地球科学者ではありません。彼らは粒子天体物理学者であり、宇宙で最もエネルギーの高い粒子の原因となる宇宙加速器を探しています。氷の表面とその下数十メートルに数百の無線アンテナを配置することで、ニュートリノとして知られるとらえどころのない粒子をこれまで以上に高いエネルギーで捕捉することを望んでいます。 「これは発見マシンであり、これらのエネルギーで最初のニュートリノを探しています」とシカゴ大学の Cosmin Deaconu はグリーンランドのサミット ステーションから語っています。
地球上の他の場所にある検出器は、時折、超高エネルギー (UHE) 宇宙線 (原子核) の到着を記録します。この原子核は非常に高速で大気に衝突し、1 つの粒子がテニス ボールと同じくらいのエネルギーを詰めることができます。研究者はその発生源を特定したいと考えていますが、原子核は電荷を帯びているため、宇宙の磁場によって軌道が曲げられ、その起源がわかりにくくなっています。
そこでニュートリノの出番です。理論家は、UHE 宇宙線が発生源から放出されると、宇宙に広がる宇宙マイクロ波背景放射からの光子と衝突して、いわゆる宇宙線発生ニュートリノを生成すると考えています。ニュートリノは電荷を帯びていないため、矢のように真っ直ぐに地球に到達します。難しいのはそれらを捕まえることです。ニュートリノは物質との相互作用に消極的であることで知られているため、毎秒何兆ものニュートリノが予告なしに通過します。原子と衝突するほんの一握りのニュートリノを捕捉するために、膨大な量の物質を監視する必要があります。
そのような最大の検出器は、南極大陸にある IceCube ニュートリノ天文台で、南極の下の 1 立方キロメートルの氷を横切るニュートリノ原子の衝突による閃光を監視しています。 2010 年以来、IceCube は多くの深宇宙ニュートリノを検出してきましたが、宇宙生成ニュートリノの予想エネルギーである 10 ペタ電子ボルト (PeV) に近いエネルギーを持つものはほんの一握りで、バート、アーニー、ビッグ バードなどのニックネームがあります。ウプサラ大学のチームメンバー。 「合理的な時間内にさらに高いエネルギーを持つ複数のニュートリノを検出するには、非常に大量の氷を監視する必要があります。」
そのための 1 つの方法は、ニュートリノの衝突によって生成される別の信号、つまり電波のパルスを利用することです。波は氷の中を最大 1 km 移動するため、地表近くに配置された無線アンテナの配列は、氷の奥深くに長い一連の光子検出器を備えた IceCube よりも低コストで、はるかに大量の氷を監視できます。シカゴ大学、ブリュッセル自由大学、ドイツの加速器センター DESY が率いるグリーンランド電波ニュートリノ天文台 (RNO-G) は、この概念をテストするための最初の協調的な取り組みです。 2023 年に完成すると、合計 40 平方キロメートルのエリアをカバーする 35 のステーションがあり、それぞれが 20 個のアンテナで構成されます。チームは先週、グリーンランド氷床の頂点にある米国が運営するサミット ステーションの近くに最初のステーションを設置し、2 番目のステーションに移動しました。環境は人里離れた、容赦のないものです。 「何かを持ってこなかった場合、すぐに発送することはできません」と Deaconu 氏は言います。 「持っているものでなんとかしなければならない。」
チームが捉えようとしている宇宙発生ニュートリノは、激しい宇宙エンジンから発せられていると考えられています。最も可能性の高い動力源は、周囲の銀河からの物質をむさぼり食う超大質量ブラックホールです。 IceCube は、Bert、Ernie、Big Bird よりもエネルギーが低い 2 つの深宇宙ニュートリノを、巨大なブラック ホールを持つ銀河まで追跡しました。これは、それらが正しい軌道に乗っている兆候です。しかし、リンクを確認するには、より高いエネルギーのニュートリノがさらに必要です。
UHE宇宙線の発生源を特定することに加えて、研究者はニュートリノがこれらの粒子が何でできているかを示すことを望んでいます. UHE 宇宙線を検出する 2 つの主要な機器は、その構成が異なります。ユタ州の望遠鏡アレイからのデータは、それらがもっぱら陽子であることを示唆していますが、アルゼンチンのピエール・オージェ天文台は、より重い原子核が陽子の間に混合されていることを示唆しています。これらの粒子によって生成されたニュートリノのエネルギー スペクトルは、その組成によって異なるはずです。これは、どのように、どこで加速されるかの手がかりを提供する可能性があります。
プロジェクト リーダーの 1 人であるフリードリッヒ アレクサンダー大学エアランゲン ニュルンベルク大学のアンナ ネルス氏は、RNO-G がこれらの明確なエネルギーの違いを明らかにするのに十分な量のニュートリノを捕捉する可能性があると述べています。しかし、「運が悪いと」と彼女は言います。検出が非常に少なく、1 つだけを記録するのに何万年もかかるかもしれません.
RNO-G が待機ゲームであることが証明されたとしても、IceCube アップグレードの一部として計画された 500 平方キロメートル以上に広がる、はるかに大きな無線アレイのテストベッドでもあります。宇宙生成ニュートリノがそこにある場合、第 2 世代の IceCube がそれらを見つけて、それらが何であるかという問題を解決します。 「1 時間に 10 個のニュートリノがあふれている可能性があります」と Nelles 氏は言います。 「しかし、私たちは幸運でなければなりません。」
