イェール大学の物理学者は、南極点で行われている二つの国際研究の取り組み、すなわち「 IceCube Collaboration 」と「DM-Ice」に参加しており、両者は宇宙ニュートリノと暗黒物質の性質に関する新たな観測結果を発表している。
IceCube Collaborationの科学者らは、宇宙ニュートリノの検出に関する新たな成果を発表した。南極の氷床の地表下2,450メートルに埋設されたIceCube実験は、地球の銀河系の外から発生したミューニュートリノを検出した。ミューニュートリノは、他の物質にほとんど妨げられることなく宇宙を伝播する素粒子である。今回の観測には、地球の北半球の方向から観測されたものとして、これまでで最も高エネルギーのニュートリノの一部が含まれている。
研究成果は学術誌『Physical Review Letters』に掲載された。
ニュートリノが直接観測されることは決してない。アムンゼン・スコット南極点基地の近くに設置されたギガトン級の粒子検出器IceCubeは、南極の氷と相互作用したニュートリノの副産物を観測する。検出器は毎年約10万個のニュートリノを記録しており、その大半は宇宙線と地球大気の相互作用によって生じたものである。こうした相互作用によって、同様に数十億個の大気ニュートリノも生成される。今回の研究では、研究者らは宇宙起源の高エネルギーニュートリノを約10個特定した。これらは宇宙の別の場所にある、大質量の爆発する恒星やブラックホールによって生成された可能性がある。
「南極点の南極氷床は、実験を行うのに素晴らしい場所だ」と述べたのは、 Reina Maruyama（イェール大学物理学助教授で、IceCubeの長年の共同研究者。IceCube検出器の建設と試運転に関わった）。「その深度では、氷はニュートリノ相互作用に由来する粒子の光を検出するのに澄んでおり、透明だ。また、氷は暗黒物質探索のためのバックグラウンドに対する効果的な遮蔽にもなっている。」
南極点におけるDM-Ice検出器の一つの設置作業。左から右へ、Albrecht Karle、Freija Descamps（前列）、Michael Carson、Perry Sandstrom、Reina Maruyama。
Maruyamaは、直接検出型暗黒物質実験DM-Iceの代表を務めている。DM-IceはIceCubeと同じく南極の氷床内に設置されており、弱い相互作用をする大質量粒子（WIMP）型暗黒物質シグナルの年周期変調を検出することを目指している。今週、 論文 （国際会議 TAUP会議）で発表され、DM-Iceは、DAMAと呼ばれる先行実験における暗黒物質シグナルの観測について、最も長く続いてきた主張の一つに取り組んでいる。
DM-Iceは、年周期変調シグナルが、大気中で生成されたミューオンおよび関連する装置由来のバックグラウンドによって説明される可能性は低いことを示している。この発見により、科学者らはDAMAが生み出したデータの理解に一歩近づいた。
DM-Iceに貢献したイェール大学の他の共同研究者には、大学院生のWalter Pettus、Antonia Hubbard、Zack Pierpoint、博士研究員のMatt KauerおよびKyungeun Lim、そしてイェール大学の学部生であるNikita DuttaとField Rogersが含まれる。
IceCubeの本部は、ウィスコンシン大学マディソン校のWisconsin IceCube Particle Astrophysics Centerに置かれている。国際共同研究には、米国、ドイツ、スウェーデン、ベルギー、スイス、日本、カナダ、ニュージーランド、オーストラリア、英国、韓国、デンマークの300名の物理学者と技術者が参加している。DM-Iceの開発と解析は、 Yale Wright Laboratoryから主導されている。DM-Iceには25名の共同研究者がいる。
IceCubeニュートリノ天文台およびDM-Iceは、National Science Foundationの助成金により建設され、NSF、Alfred P. Sloan Research Foundation、および参加機関による継続的な支援を受けて運用されている。
本記事は、 イェール大学との協力により掲載されている。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではない。
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著者：Jim Shelton（イェール大学向けに執筆）。
画像：カナダ北極圏のエルズミーア島にあるユーレカ・サウンドを、NASAのOperation IceBridge調査の写真で捉えたもの。REUTERS/NASA/Michael Studinger/Handout
