南極の氷の1マイル（1.6 km）近くにあるIceCube実験用の地上施設。 IceCubeは幽霊のようなニュートリノが存在しないことを示唆していますが、新しい実験ではそれらが存在すると述べています。
（画像：©IceCube Neutrino Observatory提供）
南極の凍った荒れ地に、巨大な粒子検出器であるIceCube Neutrino Observatoryがあります。しかし、天文台の大部分が氷の下に閉じ込められているため、機器の表面を探すのは難しいことがわかります。国際的な天文台はニュートリノを捜し求めてきました—物質とほとんど相互作用しない質量のない、電荷のない粒子。現在、その観測は、ニュートリノと宇宙線の起源の背後にある疑問に答えて、天文学における最大の謎の1つを解決するかもしれません。
それらすべての最大のもの
アイスキューブニュートリノ天文台は、南極近くの1立方キロメートルをカバーしています。この装置は、表面の1平方キロメートルをカバーし、深さ4,920フィート（1,500メートル）まで広がります。これは、史上初のギガトンニュートリノ検出器です。
IceCubeの写真は雪に覆われた建物の上にある建物を示していますが、実際の作業は以下で行います。多目的実験には、表面配列であるIceTopが含まれます。これは、ストリングの上にある81のステーションの配列です。 IceTopは、IceCubeのキャリブレーション検出器として機能し、一次宇宙線とそのフラックスと組成から空気シャワーを検出します。
高密度の内部サブディテクタであるDeepCoreは、IceCube実験の原動力です。 IceTopステーションのそれぞれは、410フィート（125メートル）間隔の六角形グリッド上に配置されたデジタル光モジュール（DOM）に取り付けられたストリングで構成されています。各文字列は60のバスケットボールサイズのDOMを保持します。ここでは、氷の奥深くで、IceCubeは太陽から、天の川の中から、そして銀河の外から来るニュートリノを探すことができます。これらの幽霊のような粒子は、これまでに観測された中で最もエネルギーの高い粒子である宇宙線に接続されています。
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神秘的な粒子
宇宙線が最初に発見されたのは1912年です。強力な放射線バーストが絶えず地球と衝突し、銀河のすべての部分から流れ込みます。科学者は、荷電粒子が宇宙で最も暴力的で最も理解されていないオブジェクトやイベントのいくつかで形成されなければならないことを計算しました。星の爆発的な恒星の死、超新星は、宇宙線を作成する1つの方法を提供します。別の銀河の中心にあるアクティブなブラックホール。
しかし、宇宙線は荷電粒子で構成されているため、星や通過する他の物体の磁場と相互作用します。フィールドは、宇宙線の経路をゆがめてシフトさせ、科学者がそれらをその発生源までたどることができなくなります。
ニュートリノの出番です。宇宙線と同様に、低質量粒子は暴力によって形成されると考えられています。しかし、ニュートリノは電荷を持たないので、経路を変えずに磁場を通過し、発生源から直線的に移動します。
「このため、宇宙線の発生源の探索は、非常に高エネルギーのニュートリノの探索にもなっています」とIceCubeのWebサイトは述べています。
ただし、ニュートリノをそのような優れたメッセンジャーにする同じ特性は、検出が難しいことも意味します。毎秒、約1,000億のニュートリノがあなたの体の1平方インチを通過します。それらのほとんどは太陽から来ており、IceCubeで識別できるほどエネルギー的ではありませんが、一部は天の川の外で生産された可能性があります。
ニュートリノを見つけるには、水や氷などの非常に透明な物質を使用する必要があります。単一のニュートリノが原子内の陽子または中性子に衝突すると、結果として生じる核反応により、チェレンコフ放射として知られる青色光を発する二次粒子が生成されます。
「私たちが検出するニュートリノは、ニュートリノが生成される物体や現象を理解するのに役立つ指紋のようなものです」とIceCubeチームは述べています。
厳しい状況
南極は宇宙ではないかもしれませんが、それ自体に課題があります。エンジニアは、2004年にIceCubeの建設を開始しました。7年間のプロジェクトで、2010年に予定通り完了しました。建設は、南半球の夏、11月から2月にかけて、毎年数か月しか行われませんでした。
86の穴をあけるには、特別なタイプのドリルが必要でした。最初は、固まった雪の層である約164フィート（50メートル）まで降りてきました。次に、毎分約2メートル（6.5フィート）の速度で2,450メートル（8,038フィート、つまり1.5マイル）の深さまで、氷を溶かして高圧温水ドリルを溶かしました。
「一緒に、2つのドリルは一貫してほぼ2日に1つの穴の割合で計装の展開の準備ができているほぼ完璧な垂直穴を生成することができた」とアイスキューブ。
その後、氷が再凍結する前に、ひもを溶けた水にすばやく展開する必要がありました。凍結は安定するまで数週間かかりましたが、その後、器具は手に触れることができず、氷で永久に凍結され、修理できませんでした。計器の故障率は非常に低く、5,500個のセンサーのうち100個未満が現在動作していません。
IceCubeは、他の文字列が展開されている間でも、最初から観察を始めました。
Halzen氏によると、プロジェクトが最初に始まったとき、研究者たちは光が氷の中をどこまで移動するかについて不明確でした。その情報が十分に確立されていれば、コラボレーションはIceCube-Gen2に向けて機能しています。アップグレードされた天文台では、検出器のストリングが約80増えますが、氷の特性を理解することで、研究者はセンサーを元の保守的な推定値よりも広く離して配置できます。 IceCube-Gen2は、ほぼ同じコストで天文台のサイズを2倍にする必要があります。
信じられないほどの科学
IceCubeは、完成する前にニュートリノを探し始め、途中でいくつかの興味深い科学的結果を生み出しました。
2010年5月から2012年5月の間に、IceCubeは28個の非常に高エネルギーの粒子を観測しました。 Halzenは、これらの極端なイベントを観察する検出器の能力は、検出器の完成に起因すると考えています。
「これは私たちの太陽系の外から来る非常に高エネルギーのニュートリノの最初の兆候であり、大マゼラン雲で見られる超新星に関連して1987年に観測されたものの100万倍以上のエネルギーを持っています」とハルゼンは声明で述べた。 「私たちが探していたものを最後に見るのは嬉しいことです。これは天文学の新時代の幕開けです。」
2012年4月、子供向けテレビ番組「セサミストリート」のキャラクターにちなんで、高エネルギーニュートリノのペアが検出され、BertとErnieの愛称で呼ばれました。 1ペタエレクトロボルト（PeV）を超えるエネルギーを持つこのペアは、1987年の超新星以来、太陽系外から最初に決定的に検出されたニュートリノでした。
「それは大きな進歩である」と研究に関与しなかったドイツのエアランゲン-ニュルンベルク大学の素粒子物理学者ウリ・カッツは言った。 「それは天体粒子物理学における絶対的な主要な発見の1つだと思います」とKatz氏はSpace.comに語った。
これらの観察の結果、IceCubeは2013年のPhysics World Breakthrough of the Yearを受賞しました。
2012年12月4日にもう1つの大きな成果が現れました。観測所が科学者がビッグバードと呼んだイベントを検出し、これも「セサミストリート」からのものでした。ビッグバードは、2兆電子ボルトを超えるエネルギーを持つニュートリノであり、歯科用X線のエネルギーより100万倍以上も多く、電子の質量が100万分の1未満の単一粒子に詰め込まれていました。当時、これはこれまでに検出された中で最もエネルギーの高いニュートリノでした。 2018年現在でも、2位にランクされています。
NASAのフェルミガンマ線宇宙望遠鏡の助けを借りて、科学者たちはビッグバードをPKS B1424-418として知られるブレザーの非常にエネルギッシュな爆発に結びつけました。ブレイザーは銀河の中心にある超大質量ブラックホールを利用しています。ブラックホールが物質を飲み込むとき、物質の一部は、銀河の星をはるかに超えるエネルギーを運ぶジェットに偏向されます。ジェットは物質を加速し、ニュートリノといくつかの宇宙線を作成する原子の断片を作成します。
2012年の夏から、ブレザーは、噴火前の平均よりも15〜30倍明るいガンマ線で輝きました。南の空にある100個近くの活動している銀河を日常的に監視しているTANAMIという長期観測プログラムにより、銀河のジェットの中心部が2011年から2013年の間に4倍に明るくなったことが明らかになりました。
ドイツのマックスプランク電波天文学研究所（MPIfR）のEduardo Ros氏は2016年の声明で、「プログラムの全期間にわたってTANAMIが観測した他のどの銀河も、このような劇的な変化を示していない」と語った。チームは2つのイベントがリンクされていると計算しました。
ヴュルツブルク大学の天体物理学教授であるマティアスカドラー教授は、「すべての観察結果を考慮すると、ブレザーにはビッグバードニュートリノを発射する手段、動機、機会があったため、疑わしいと思われます」と語った。ドイツ。"
2018年7月、IceCubeは初めて、ニュートリノを発生源ブザーまで追跡したことを発表しました。 2017年9月、強力なニュートリノ候補が検出されてから数分以内に世界中の科学者にブロードキャストするアラートシステムが新たに設置されたおかげで、研究者たちは望遠鏡を新しい信号の発信方向にすばやく向けることができました。フェルミは、空の同じ場所にTXS-0506 + 056として知られるアクティブなブレザーが存在することを研究者に警告しました。新しい観測では、ブレザーがフレアし、通常よりも明るいエネルギーのバーストを放出していることが確認されました。
ほとんどの場合、TXSは典型的なブザーです。それはフェルミによって検出された最も明るい100のブレザーの1つです。しかし、他の99人も明るいですが、ニュートリノをIceCubeに向けていません。ここ数か月の間に、TXSは、前の年よりも100倍も強くフレア、明るく、そして減光しています。
「IceCubeによって検出された高エネルギーニュートリノをTXS 0506 + 056まで追跡することで、特定のオブジェクトをそのような高エネルギーニュートリノの推定発生源として特定できるようになったのはこれが初めてです」と大学のGregory Sivakoff氏カナダのアルバータ州の声明で述べた。
IceCubeはまだ完成していません。新しい警報システムは、将来、天文学者をつま先に保つでしょう。天文台の計画寿命は20年です。そのため、南極天文台からの驚くべき発見が少なくとももう10年あります。
