中国の巨大な検出器は超新星爆発が起こる前にそれを見つけようとする

遠くの星や銀河からやってくる何兆もの粒子が毎秒、あなたの体に流れ込んでいます。ただ、それを感じることはできません。これらの幽霊のような粒子はニュートリノと呼ばれます。宇宙は絶えずニュートリノを放出していますが、これらの物体は物質とほとんど相互作用しません。鋼鉄や鉛の壁など、人類にとって最も頑丈な障壁さえもすり抜けることができます。

ニュートリノの中には、最も大きな星の壮絶な死である超新星爆発から発生するものもあれば、地球の岩石の放射性崩壊、太陽の反応、さらには地球のオーロラによって生成されるものもあります。これらの目に見えない粒子はあらゆるところに存在し、科学のさまざまな分野にとって重要ですが、それらを見つけるためのよりよい方法がまだ必要とされています。現在、中国広東省に建設中の新しい観測所、江門地下ニュートリノ観測所（JUNO）は、これまでよりも優れた感度でこれらの捉えにくい粒子を探すことを計画しています。

ほとんどのニュートリノ検出器と同様に、ニュートリノが反応する液体で満たされた巨大な容器です。網が大きいほど、より多くの魚が捕まります。 「完成すると、JUNOは、同じタイプの既存の最大の検出器の20倍の大きさになります」と、北京の高エネルギー物理学研究所（IHEP）の研究者でJUNOコラボレーションのメンバーであるYufeng Liは言います。現在建設中で、2024年に運用開始が予定されているこの検出器は、以前のどの検出器よりも大きいだけでなく、ニュートリノのエネルギーのわずかな変化に対してより敏感になります。Liは、これが「コミュニティにおけるユニークで重要な観測所」になるだろうと付け加えています。

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この観測所の最も野心的な目標は、まだ爆発していないが死につつある星からのニュートリノを事前に発見することだ。そうすれば、望遠鏡はこれらの星が最後の破壊行為を行うところを捉えることができる。「ニュートリノは相互作用が弱いため、光子よりも数時間早く地球に到達すると予想されています」と、このプロジェクトには関係のないデンマークのニールス・ボーア研究所の物理学者イレーネ・タンボラは説明する。

天文学者たちは、星がどのように爆発するかについてまだ詳細を知らないが、超新星爆発の始まりを観測すれば、手がかりが得られるかもしれない。「ニュートリノの早期検出は、望遠鏡を超新星の方向に向け、その電磁放射を早期に捉えるために極めて重要になる」とタンボラ氏は付け加える。ジュノーは、星が爆発する数時間から数日前に天文学者に警告を発し、準備して望遠鏡を向ける時間を与えることができるはずだ。銀河全体にわたって、遠くの超新星からやってくる微かなニュートリノ背景放射を測定できる可能性もある。これは、宇宙全体の姿を描き出そうとしている宇宙論者にとって大きな関心事である。

超新星に加えて、この観測所はもっと身近なところ、つまり原子炉からニュートリノを探すことになる。近くの陽江原子力発電所と台山原子力発電所はニュートリノを生成しており、物理学者たちはジュノでそれらのニュートリノのフレーバーを味わえることを期待している。ニュートリノには3つのフレーバー（そう、本当にそのように呼ばれているのだ！）があり、電子ニュートリノ、タウニュートリノ、ミューオンニュートリノとして知られている。これらはいわゆる振動で異なる状態の間を反転することができる。科学者たちは原子力発電所から予想される各種類のニュートリノの数を計算し、ジュノで実際に観測したものと比較して、これらの反転をよりよく理解することができる。

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「強力な新しい実験が実施されると、驚くような発見がしばしば起こるので、驚きの発見がある可能性も非常に高い」とオハイオ州立大学の天体物理学者ジョン・ビーコム氏は言う。

ニュートリノ観測の巨大観測所はJUNOだけではない。現在最大の液体ニュートリノ検出器は日本のスーパーカミオカンデで、研究者らはこれをハイパーカミオカンデにするための大規模なアップグレードを計画している。米国もこの計画に参加しており、現在はフェルミ国立加速器研究所の検出器を使用しているほか、数十億ドル規模の次世代観測所「深部地中ニュートリノ実験」を計画している。ただし、これらのプロジェクトは数年先の話なので、IHEPの王一芳会長はサイエンス誌に、ニュートリノの基本的な性質を解明するためにJUNOが「最初にそこにたどり着く確率は3対1」だと語った。

誰がレースに勝ったとしても、この観測所は宇宙への窓のひとつを少しだけ広げてくれることになる。「JUNO はニュートリノ物理学と天体物理学にとって大きな前進です」とビーコム氏は言う。「それが何をもたらすのか、とても楽しみです。」