物理学者たちは、これまで検出されたニュートリノよりも約30倍もエネルギーの高い銀河系外ニュートリノを発見した。これは、私たちが観測できる最古の光との相互作用から生まれた希少粒子の初めての観測となる可能性がある。
地中海のマルタ沖に埋められた検出器がニュートリノを検出しました。ニュートリノはほぼ光速で移動し、他の物質とほとんど相互作用しない素粒子の一種です。ニュートリノのエネルギーは、ニュートリノが天の川銀河の彼方から来たことを示唆しており、物理学者たちは、極端な天体物理学的現象、あるいは物質と宇宙マイクロ波背景放射（宇宙最古の可視光）との稀な相互作用が原因である可能性があると考えています。このニュートリノに関する研究は、本日ネイチャー誌に掲載されました。
検出は2023年2月13日、つまり2年前の明日に行われたが、チームがこの出来事を分析し、粒子の正体と潜在的な起源を特定するには時間を要した。
ニュートリノは宇宙で最も強力な粒子の一つであり、各国政府はこの小さな厄介者を検出するための実験に数十億ドルもの資金を投入しています。そのような実験の一つが、サウスダコタ州の地下約1マイルにあるフェルミ国立加速器研究所が主導する深部地下ニュートリノ実験（DUNE）です。
新たに発見されたニュートリノの検出は、立方キロメートル・ニュートリノ望遠鏡（KM3NeT）によって行われた。この望遠鏡は、地中海深海、それぞれ水深約3,450メートルと2,450メートルに設置された2つの粒子検出器から構成されている。海底に固定された光学モジュールは、ニュートリノが相互作用して荷電粒子を生成する際に発生する極めて微弱な光を検出する。
ニュートリノ検出器は大きく（望遠鏡の名前にある「立方キロメートル」は約0.24立方マイルに相当）、邪魔されずに設置する必要があるため、地下深く、海の底、氷床に埋め込まれたような遠隔地に設置されます。
研究チームは2023年2月、検出器を横切るミューオンを記録しました。この現象は、検出器のセンサーの3分の1以上に信号を送るという、非常に印象的な出来事でした。粒子の軌道とエネルギーに基づき、研究チームは、ミューオンは検出器付近で相互作用した大気ニュートリノではなく、宇宙ニュートリノに由来するものだと考えています。
研究チームの計算によると、ミューオンのエネルギーは約120ペタ電子ボルト（PeV）だった。1ペタ電子ボルトは1京電子ボルトに等しい。これは非常に高いエネルギーに聞こえるが、ミューオンを生成したニュートリノのエネルギーは、さらに高い220ペタ電子ボルト（PeV）と推定されている。これは、地上1メートルからピンポン玉を落とした時のエネルギーに相当するが、それを物質の点に押し込んだ場合のエネルギーに相当する。そして、220ペタ電子ボルトのニュートリノのエネルギーは、地球上で最も強力な粒子加速器である欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における陽子の公称エネルギーの約3万倍にもなる。
「これだけのエネルギーが、たった一つの素粒子に凝縮されているのです」と、今回の検出当時KM3NeT実験の広報担当者であり、マルセイユにあるフランス国立科学研究センター（CNRS）の微粒子物理学センターの研究員でもあったパスカル・コイル氏は、今週初めに開催されたシュプリンガー・ネイチャーの記者会見で述べた。「私たちにとって、これは非常に印象的な成果です。」
この粒子を生成できるLHCを建造するには、静止衛星の高度で地球を周回できるLHCが必要だと、コイル氏は記者会見で説明した。
ニュートリノの発見は実に困難です。アイスキューブ・ニュートリノ観測所によると、毎秒約100兆個のニュートリノが私たちの体を通過しています。ニュートリノは宇宙で光子に次いで2番目に多い粒子ですが、その豊富さにもかかわらず物質とほとんど相互作用しないため「ゴースト粒子」と呼ばれ、検出が極めて困難です。昨年、アイスキューブのデータは、約10年分の観測データから抽出された特定のフレーバーのニュートリノの候補となる7つの信号を明らかにしました。これは、研究者がニュートリノを発見することの難しさを物語っています。今回の研究チームの成果はたった1個のニュートリノによって引き起こされたものですが、この観測は検出器がまだ10%しか完成していなかった時期に行われたため、研究チームは今後さらに多くのニュートリノが検出され、より多くの情報が得られると楽観視しています。
研究チームは、ニュートリノが確かに銀河系外から来たことは明らかだが、それ以上に正確な起源は不明であると判断した。最も可能性の高い起源は、宇宙線と宇宙マイクロ波背景放射の光子との相互作用によって生成される宇宙起源か、宇宙で最もエネルギーの高い天体の一つから放出される粒子の流れの中で生成される天体起源のいずれかである。具体的には、研究チームは、ニュートリノの発生源と推定される方向とほぼ一致する、光速に近い速度で素粒子のジェットを噴出する活動銀河核であるブレーザーを12個選定した。
「信じられないことですが、宇宙には粒子をそのような極限のエネルギーまで加速できる物体があり、それがどのように行われるのかはまだ完全には理解されていません」とコイル氏は付け加えた。
同じくCNRSの研究共著者であるダミアン・ドルニック氏は記者会見でギズモードに対し、研究チームはアーカイブデータを見直しており、天体物理学的発生源の特徴からニュートリノが宇宙起源ではなく、それらのいずれかから来た可能性があるかどうかを判断するための新たな観測を要請していると語った。
「将来的には、今回の事象についても、誤差範囲を大幅に縮小できるでしょう」と、オランダのニクヘフ国立素粒子物理学研究所の物理学者で、この研究の共著者であるアート・ハイボア氏は記者会見でギズモードの取材に答えた。「当時ははるかに小さかった誤差範囲に、これらの発生源の1つが直接収まっていたとしたら、それは興味深いことです」
コイル氏は、今回の観測は最終的な検出器のわずか10%で行われたと指摘し、さらなる観測によって宇宙線ニュートリノや活動銀河核から放出されるニュートリノのエネルギー、スペクトル、起源が明らかになる可能性があると述べた。
ニュートリノが宇宙線起源であることが確認されれば、研究チームによる検出は初めてのものとなります。KM3NeTは現在拡張中で、新たな成果によって新たな事象が発見されるか、2023年の注目すべき観測の本質が明らかになることが期待されます。
