2026年ノーベル物理学賞、南極の氷の下2kmに埋めた望遠鏡IceCubeに

宇宙で最も強力な粒子加速器は地球上にはなく、長年にわたってその所在は不明だった。フランシス・ハルゼン（Francis Halzen）は、南極点下の1立方キロメートルの氷の中に、物理学上最も捉えにくい粒子を捕らえるために数千個の光センサーを配線して、その加速器を探し求めた。スウェーデン王立科学アカデミーは今般、その検出器とそれが発見した成果に対してハルゼンにノーベル物理学賞を授与した。賞を分け合う必要はない。

検出器の名はIceCube（アイスキューブ）で、太陽系の遙か彼方から到来することが確認された初めての高エネルギーニュートリノを捉えた。ニュートリノは電荷を持たず、質量もほぼゼロで、太陽から毎秒約650億個ものニュートリノがあなたの小指の爪をすり抜けているが、一個の原子にも衝突しない。ニュートリノは直進し、塵やガス、磁場をすり抜けるため、まれに飛来する宇宙由来のものは、その発生源である激しい天体現象の場所を指し示す。これによりニュートリノは、光が脱出できない領域を観測できる新種の望遠鏡となる。

ウィスコンシン大学マディソン校に所属するベルギー生まれの物理学者ハルゼンは、「IceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献と、天体物理起源の高エネルギーニュートリノの発見」により受賞が決まった。彼は34年ぶりに単独で物理学賞を受賞した人物となり、賞金1200万スウェーデンクローナを全額受領する。ノーベル物理学委員会の委員長マーク・ピアース（Mark Pearce）は、「フランシス・ハルゼンは国際的な研究者・技術者チームを率い、我々に素晴らしい装置をもたらしました。彼の粘り強さと科学的ビジョンが、新たな種類の天文学への道を切り開いたのです」と述べた。

なぜ宇宙加速器を見つけるのに氷河が必要なのか

宇宙空間には宇宙線（主に裸の陽子）が飛び交い、中には地球上のどの実験室でも到達できないエネルギーの100万倍に達するものもある。何かがそこにある加速器——おそらく爆発する星や超大質量ブラックホールのジェット——が陽子を加速している。しかし陽子は犯人を明らかにできない。なぜなら磁場が地球に到達するまでの経路を曲げてしまい、大気に突入した時点ではその方向は意味をなさないからだ。

陽子を加速するのと同じ過程でニュートリノも生成されるはずであり、磁場はニュートリノを曲げない。問題は、ニュートリノがほとんど何とも相互作用しないことだ。まれに原子核に衝突すると、荷電粒子が生まれ、その粒子が物質中を駆け抜ける際に淡い青色の光を放つ。透明な媒質の中では、センサーがその閃光を記録し、ニュートリノの到来方向を再構成できる。宇宙ニュートリノは非常に稀であるため、ほんのわずかを捉えるだけでも巨大な透明な体積が必要となる。

ハルゼンの着想は、南極の氷床がすでにその体積を提供しているというものだった。深部は恒久的に暗く、海洋検出器を妨害する生物がおらず、放射能レベルが低く、地質学的に安定しており、地震もない。

どのように実現したか

計画は非現実的に聞こえた。チームは、精巧なシャワーヘッドのように機能する温水ドリルで1キロメートル以上の穴を融かし、その水が再凍結する前に光センサーを繋いだケーブルを降ろさなければならなかった。ハルゼンは各センサーを「逆さまの電球」に例える。光を取り込み、電気信号に変換するのだ。すべての建設作業は11月から2月までの短い南極の夏の間に収めなければならなかった。

最初の試みである小規模なアレイAMANDAは、計画をほぼ頓挫させた。最初のセンサーが設置された深度では、氷の中に微細な気泡が無数にあり、光をあらゆる方向に散乱させたため、閃光は半メートルも進むと方向性を失った。しかしさらに深くでは状況が一変した。約1400メートルより下では、氷は非常に透明度が高く、ニュートリノ衝突からの光が300メートルも伝搬することが判明した。これは誰の予想をもはるかに上回る距離だった。

IceCubeはその教訓を拡大した。86本のケーブルは地表下1450メートルから2450メートルの間に吊り下げられ、相互に125メートル間隔で、各ケーブルには17メートル間隔で60個のセンサーが取り付けられ、合計5160個のセンサーを備える。機器を設置した氷の体積は1立方キロメートルで、その重さは約10億トンに達する。観測所は米国国立科学財団が管理し、14カ国58機関から約450人が参加する共同研究チームが運営している。

それを証明した閃光

IceCubeが捉えるものの大半はノイズである。南極上空の宇宙線によって大気中で生成された1億個以上のミューオンが毎日センサーに到達し、地球の反対側の大気中で生成された数百個のニュートリノが地球全体を貫通して到来する。宇宙由来の信号を分離するため、チームは検出器の外層をベトシールドとして扱い、コア内部（端から遠く離れた場所）でスイッチが入ったニュートリノのみを保持する。

最初の2つの確かな事象は、さらに高エネルギーの粒子を探索している最中に偶然見つかった。それぞれ約1ペタ電子ボルト（1000兆電子ボルト）のエネルギーを沈着しており、これは大型ハドロン衝突型加速器が各陽子に与えるエネルギーの100倍以上である。この2つを手がかりに、チームは同じ2年間のデータから28個の高エネルギーニュートリノを発見し、その後さらに大規模なサンプルで、大気起源である可能性を統計的信頼度5.7シグマで否定した。これは物理学者が発見を主張する基準である5シグマを上回る。

初期のニュートリノ天文学からの飛躍は計り知れない。レイモンド・デービス・ジュニア（Raymond Davis Jr.）と小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）に物理学賞をもたらしたニュートリノは、太陽と16万光年彼方の超新星から来たもので、エネルギーは約10億分の1だった。IceCubeがこれまでに検出した最も高エネルギーのニュートリノは、推定11.4ペタ電子ボルトに達する。

賞が解決しないこと

IceCubeは定常的な宇宙ニュートリノの流束が存在することを証明したが、その大部分がどこから来るのかは示していない。最有力候補は依然として候補のままである。あるニュートリノは、地球に向けてジェットを噴出するブラックホールを持つ銀河、フレアリング・ブレーザーTXS 0506+056の方向から到来し、過去のデータを調べ直したところ、同じ場所から以前のバーストが3.5シグマで見つかったが、発見の強度には遠く及ばない。

これまでで最も強い単一の発生源は、くじら座にある4600万光年彼方の活動銀河NGC 1068（M77としても知られる）である。IceCubeはその方向から79個のニュートリノを計数し、信頼度4.2シグマを得た。ノーベル委員会自身の背景資料では、この証拠はまだNGC 1068を確定した発生源と呼ぶには十分に頑健ではないと述べている。

また、功績の帰属の問題もある。IceCubeは何百人もの科学者と技術者の業績であり、ノーベル物理学賞は個人にしか授与できない。委員会はハルゼンを、構想を創案し、設計し、主任研究者として建設から運用まで率いた人物として選び出した。

2026年ノーベル物理学賞に関するよくある質問

2026年のノーベル物理学賞を受賞したのは誰ですか？

ウィスコンシン大学マディソン校のフランシス・ハルゼンが単独で受賞しました。IceCubeニュートリノ観測所の建設における決定的な役割と、宇宙からの高エネルギーニュートリノの発見が評価されました。彼はベルギーのティーネン出身で、賞金1200万スウェーデンクローナ全額を受け取ります。

ニュートリノとは何ですか？

ニュートリノは電荷を持たず、質量がほぼゼロの素粒子です。物質との相互作用が非常に弱いため、毎秒何十億個ものニュートリノがあなたの体を気付かれずに通過しています。

IceCubeはどのようにニュートリノを検出するのですか？

ニュートリノが氷の中の原子核に衝突すると、荷電粒子が生成され、その粒子が移動する際に淡い青色の光を放ちます。地表下1450メートルから2450メートルに埋設された5000個以上のセンサーがその閃光を記録し、光のパターンから粒子のエネルギーと方向が明らかになります。

なぜ南極点にニュートリノ望遠鏡を建設するのですか？

南極の深部の氷は非常に透明度が高く、恒久的に暗く、生物がおらず、地質学的に安定しています。また、既存のアムンゼン・スコット南極点基地が、穴を掘削し、1キロメートル規模の検出器を建設するために必要な物流、電力、人員を提供しました。

宇宙ニュートリノはどこから来るのですか？

まだ確実にはわかっていません。IceCubeは天の川銀河の円盤からのニュートリノを観測し、活動銀河NGC 1068やブレーザーTXS 0506+056を有力な発生源として指摘していますが、これらのいずれも流束の大部分を説明してはいません。

いつ起こったのか、そして次に何が来るのか

ハルゼンと同僚のジョン・G・ラーナード（John G. Learned）は、1988年にポーランドでの会議で初めて南極点の構想を発表した。ハルゼンは、1993年のクリスマスイブに、最初のAMANDAケーブルが氷の中に設置されたという知らせを、膝の上のコンピューターで待っていたことを覚えている。米国国立科学財団は2002年にIceCubeへの資金提供を承認し、検出器は2011年に完成、宇宙ニュートリノの最初の証拠は2013年に発表された。天の川銀河からの高エネルギーニュートリノは2023年に続いた。

後継機はすでに形になりつつある。地中海のKM3NeT、バイカル湖のBaikal-GVD、バンクーバー島沖のP-ONE、南シナ海のTRIDENTである。南極点では、約8立方キロメートルの氷をカバーするIceCube-Gen2の計画が始まっている。ハルゼンは12月10日にストックホルムでメダルを受け取る。

参考文献: IceCube Collaboration, “Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

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