天の川銀河の幽霊ニュートリノがついに発見された

ニュートリノは宇宙に満ちていますが、目で見てそれを知ることはできません。これらの素粒子は小さく、物理学者もかつては質量がないと考えていたほどで、電荷もありません。毎秒何兆ものニュートリノが体内に侵入しますが、その大部分は痕跡を残さずに通り過ぎていきます。

それでも天文学者たちはニュートリノを一目見たいと切望している。ニュートリノは宇宙線の産物であり、宇宙のあらゆる方向から絶えず流れている謎の高エネルギー粒子だからだ。天文学者たちは宇宙線がどこから来るのか、飛行中にどう振舞うのか、また多くの場合、何からできているのかさえわかっていない。

ニュートリノは研究者の発見に役立つが、まずはそれらの粒子を観測する必要がある。これまで天文学者は、銀河系外から来たニュートリノを発見したとしか確認していなかった。しかし、本日サイエンス誌に発表された論文で、世界の天文学者チームが長年の目標を発表した。それは、天の川銀河面自体から来た最初のニュートリノだ。

「これは非常に重要な発見だ」と、論文の著者ではないイタリアのサレルノ大学の天文学者、ルイジ・アントニオ・フスコ氏は言う。

これらのゴーストを観察するのは困難な作業です。ニュートリノ観測所は望遠鏡や電波パラボラアンテナとはまったく異なります。その代わりに、論文の著者らは南極の氷に 1 マイル以上も掘られた穴の列、アイスキューブ ニュートリノ観測所で作業しました。その縦穴を下りて、凍てつく暗闇の奥深くで、アイスキューブの検出器はニュートリノが物質と衝突したときに発生する粒子からの光跡を監視します。

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水や氷の中では、光は速度制限の約 4 分の 3 しか進みません。粒子は、これらの物質中をそれよりも速く移動できます (ただし、真空中の光速より速くはありません)。粒子がそれよりも速く移動した場合、チェレンコフ放射と呼ばれる明るい光の円錐が放出されます。これはソニック ブームに相当します。地中海の海底にある ANTARES などのニュートリノ観測所では、水中のチェレンコフ放射を探します。IceCube は、もちろん氷を使用します。

科学者がニュートリノを見つける方法をまとめた後も、彼らは別の問題に直面しました。それはノイズです。ニュートリノ検出器は、宇宙線が上層大気に突入して素粒子を地球に送り込む結果を常に検出しています。では、その高エネルギーの干し草の山の中から宇宙ニュートリノの針をどうやって見つけるのでしょうか。

答えは方向を調べることです。遠くから来るニュートリノはエネルギーが高く、地球を通り抜けやすくなります。検出器が地面から来ているように見えるニュートリノを検出した場合、そのニュートリノは宇宙から来て地球を通過してから検出器に当たる可能性が高いです。

2013年、アイスキューブは初めて宇宙ニュートリノを検出した。それ以来、彼らはニュートリノの発生源を個々の銀河にまで絞り込むことに成功している。「私たちは10年間、銀河系外ニュートリノを検出してきました」と、アイスキューブ共同研究メンバーの1人であるウィスコンシン大学の物理学者フランシス・ハルゼンは言う。

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しかし、重要な発生源が一つ欠けていた。それは、我々の銀河系内部から放出されるニュートリノだ。天文学者たちは、天の川銀河面から放出されるニュートリノはたくさんあるはずだと考えている。アイスキューブの科学者たちは、これまでにもそうしたニュートリノを見つけようと試みてきたが、その起源を確信を持って特定することはできなかった。

「この分析で変わったのは、私たちが使用している方法を大幅に改善したことです」と、ドイツのドルトムント工科大学の科学者でアイスキューブ共同研究チームのメンバーであるミルコ・ヒュンネフェルト氏は言う。

アイスキューブチームは人工知能ツールを磨き上げた。今日のニューラルネットワークは、これまで以上に鋭敏にノイズからニュートリノを拾い出すことができる。天文学者たちは、2011年から2021年の間に収集された59,000件以上のアイスキューブ検出を分析し、ニュートリノ源の予測モデルと比較した。

その結果、彼らは、自分たちの検出結果は天の川銀河の平面、特に銀河中心から放出されるニュートリノによって説明できると確信している。

現在、天文学者たちは、ニュートリノが実際にどこから来ているのかを空のどの地点で特定したいと考えている。より感度の高いニュートリノ検出器がその作業に役立つだろう。IceCube は今世紀後半にアップグレードされる予定で、地中海の KM3NeT やロシアのバイカル湖の湖底にある GVD などの新世代ニュートリノ観測所は、天文学者たちのニュートリノ観測ツールボックスを拡大するだろう。

「アイスキューブの信号は、一種の拡散したもやです」とフスコ氏は言う。「次世代では、この信号の個々の発生源を突き止めるために全力を尽くせると思います」。天文学者がそれができれば、超新星である可能性のある宇宙線の発生源について、さらに詳しく知ることができる。

「ニュートリノを作るのは宇宙線だけなので、ニュートリノが見えるということは、宇宙線源が見えるということです」とハルゼン氏は言う。「ニュートリノ物理学の目標、第一の目標は、100年来の宇宙線問題を解決することです。」

「それは、これまではできなかった多くの謎を解明するのに役立つだろう」とヒュンネフェルト氏は言う。