ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者フランシス・ハルツェンが、「ニュートリノ観測所IceCubeへの決定的な貢献と、天文学的起源を持つ高エネルギーニュートリノの発見」により、2026年ノーベル物理学賞を受賞した。ハルツェンは、南極での観測所の開発と建設を主導した主要人物の一人であり、その結果、宇宙の遠方の領域から地球に到達する希少な粒子を捉えることが可能になった。
ハルツェンはストックホルムで開かれた記者会見で、受賞に驚いたと述べ、この成果は個人の仕事ではなく、幅広い協力の結果であると強調した。IceCubeプロジェクトには数百人の科学者、技術者、共同研究者が参加している。一方、素粒子物理学者のダニエル・ノルシーニは、ハルツェンを実験の推進力であり科学的ビジョンの担い手だと評した。この実験は、ニュートリノ天文学という新たな分野を切り開いた。
なぜニュートリノの観測は難しいのか？
ニュートリノは物質とほとんど相互作用せず、電荷を持たず、質量も極めて小さい粒子である。そのため、膨大な数のニュートリノが、目立った痕跡を残さず絶えず私たちの体を通過している。この性質は観測を難しくする一方で、大きな天文学的価値を与えている。ニュートリノは、情報を発生源から運びながら、ほとんど変化せずに宇宙の長距離を移動できるからだ。
光とは異なり、ニュートリノは非常に高密度または激しい環境から外へ出ることができる。そのため、電磁波観測や重力波観測を補完し、いわゆるマルチメッセンジャー天文学を構成する。この成果は、ニュートリノの3種類の発見と、ある種類から別の種類へ変化できることの証明を含む、数十年にわたるニュートリノ研究を経て得られた。
IceCubeはどのように機能するのか？
ハルツェンは1988年、天然の氷を検出媒体として利用する南極観測所の建設を提案した。AMANDA観測所での実験の後、温水で作動する掘削装置を使って数キロメートルの深さの穴を開け、そこに光センサーを搭載したケーブルを挿入した。
IceCubeは約1立方キロメートルの氷の体積を覆い、86本のケーブルに5,160個の光センサーを分散配置している。ニュートリノが氷の内部にある原子核と衝突すると、荷電粒子が生じ、紫外線と青色の光子を放出する。センサーはこれらを捉え、事象の軌跡とエネルギーを特定する。また観測所は、地球そのものを遮蔽物として利用している。ニュートリノの一部は検出器に到達する前に地球を通過するため、背景源からニュートリノを識別するのに役立つ。
観測所は何を明らかにしたのか？
IceCubeは2011年に運用を開始し、2年間のうちに大気圏外から飛来するニュートリノの証拠を発見した。2014年には、前例のないエネルギーを持つ3個のニュートリノを観測し、それぞれにBert、Ernie、Big Birdという名称が付けられた。2017年には研究者が、高エネルギーニュートリノを遠方の銀河TXS 0506+056と結び付けることに成功した。一方、2022年に発表された研究は、79個のニュートリノを含む顕著な増加に基づき、銀河Messier 77がこれらのニュートリノの強力な発生源である可能性を示した。
2月には観測所の大規模な更新が完了し、アレイの中央下部にセンサーの新しい5列が追加された。これに加え、600個のセンサーと追加の較正装置も設置された。また米国国立科学財団は、運用を維持するため、今後5年間で5,300万ドルを提供することを約束した。
実際に何が変わるのか？
この賞は、現時点で標準模型を超える新しい物理の発見を意味するものではない。ハルツェンは、現在の結果は依然として既知のニュートリノ物理学と一致していると述べている。しかしIceCubeは、極地の氷をキロメートル規模の望遠鏡へと変えられることを証明し、「宇宙加速器」や宇宙線源を観測する実用的な手段を提供した。残された課題は、これらの粒子の発生源を特定し、その加速メカニズムを理解することにある。これらの問題は、観測所の継続的な更新から恩恵を受ける可能性があるが、発生源が最終的な答えを示したことはまだ証明されていない。