本記事は、 The Conversationとの協力のもとに掲載されている。
南極点に立つことは、別の惑星にいるのに次ぐ体験だ。全米科学財団の 研究基地を構成する建物から数百ヤード離れて歩くと、何もない雪と氷の平原が広がっている。そこでは、数百マイルにわたって微生物より大きな生命体はおそらくほとんどいない。音を反射するものが雪以外にないため、不気味な静寂に包まれる。荒涼とした景色を眺めながら物思いにふけるのは容易だ。しかし、ここにいる理由を思い出す。世界で最も奇妙な望遠鏡かもしれないものに取り組み、自然界で最も謎めいた亜原子粒子の一部を探すためである。
1秒ごとに 10,000個を超える高エネルギー粒子 ――陽子と原子核――が、地球の大気の1平方メートルごとに降り注いでいる。そのうちの一部は、最も強力な粒子加速器であるCERNの 大型ハドロン衝突型加速器で加速された陽子の100万倍以上のエネルギーを持つものもある。幸いにも大気がそのほとんどを吸収するが、ごく一部の迷走粒子は毎秒あなたの体を通過している。これこそが、大陸間を飛ぶ航空機の乗務員が 放射線業務従事者として分類される理由となっている。
科学者たちは、宇宙線として知られるこれらの粒子を一世紀以上前に発見しており、それは アインシュタインの一般相対性理論 や ボーアの量子力学的原子模型 が登場するより前のことである。しかし今日でも、宇宙線の研究に関連して6件のノーベル賞が授与されてきたにもかかわらず、これらの粒子がどこから来るのかは確かではない。宇宙を満たす磁場が、地球へ向かう途中で宇宙線の進路を曲げるため、地球に到達した時点での進行方向からは、それらが本来どこで生成されたのかは分からない。
ニュートリノが宇宙線の起源を示唆する
私は、宇宙線の発生源を探すために珍しい種類の望遠鏡を開発した国際的な科学者チームの一員である。宇宙線そのものは発生源を指し示さないため、代わりに、宇宙線の加速がどこで起きていても副産物として生じるはずの亜原子粒子の一種であるニュートリノを探している。（宇宙線が大気に衝突する際にも同じ過程が起きる。これらの「大気」ニュートリノは、2つの実験のうちの一方によってニュートリノ振動の発見に用いられ、その実験は 2015年のノーベル物理学賞を受賞した。）
ニュートリノはとても奇妙な粒子だ ――「ゴースト粒子」とも呼ばれている。ほかの物質とめったに相互作用しないため、観測するには非常に大きな検出器が必要となる。私たちの望遠鏡の名称は IceCubeであり、ニュートリノを捉えるために、南極の氷床の1立方キロメートル、すなわち10億トンの氷を利用しているためである。
ほとんどのニュートリノは、IceCubeを目に見えない形で通過する。しかし、偶然にもその一部は氷中の陽子や中性子に衝突し、私たちが観測できる相対論的粒子のシャワーを放出する。これらの観測可能な粒子の数と方向を測定することで、元のニュートリノがどの方向から来たのか、そのエネルギー、そして種類または「フレーバー」を特定できる。こうして私たちは、星の光ではなく、ニュートリノで輝く空の姿を一つひとつ描き出している。
南極は、このような望遠鏡を建設する明白な場所とは思えないかもしれないが、実際には最も容易で最も安価な場所である。米国は 南極点の科学施設を運営しており、IceCubeのほかにもいくつかの実験の拠点となっている。私たちにとって最も重要なのは、南極点基地が、世界で最も純粋で透明な、ほぼ3キロメートルの厚さの氷の上に位置していることだ――利用されるのを待つ、理想的なニュートリノ標的である。
科学には好都合、人にとっては過酷
しかし、「最も容易」が「容易」と同じではない。南極点は作業するには困難な場所である。米国から南極点までの移動には1週間以上かかることもある。移動の最後の区間は、Air National Guard（州空軍）が運用する、スキー装備付きの特殊なC-130貨物機によるものであり、圧縮された雪で造られた滑走路に着陸する。これらの航空機が南極点に到達できるのは、1年のうち4カ月間のみである。南半球の真夏（1月）の平均気温は穏やかな-15華氏度（-26摂氏度）だが、3月までには気温が-50F（-45C）まで下がり、C-130が運用するには寒すぎる。私たちはその夏の数カ月間に作業を詰め込み、その後、IceCubeの運用を、たくましい二人の「冬季越冬」科学者に引き継ぐ。越冬者は、基地に残る45人のチームの一員であり、残りの期間、インターネットと無線通信を除き、8カ月間にわたって外界から隔絶された状態で過ごす。
夏には、基地の人口は約150人にまで増える。南極点は高地の砂漠であるため、空気は薄く、非常に、非常に乾燥している。しかし、少なくとも夏の間、南極点での作業における最も厳しい点は寒さではない。少なくとも私にとって最も奇妙なのは、絶え間ない日照である。南極点では、太陽が6カ月間沈まず、地平線に沿って旋回しながら徐々に螺旋状に下降し、秋分の時期に沈む。その後、越冬者は春の日の出まで6カ月間、絶え間ない暗闇の中で過ごす。これは概日リズムを大きく乱す。私は、時計が3:00を指しているのを見て目を覚ましたことがあるが、それがAMなのかPMなのか、また4時間眠ったのか16時間眠ったのか分からなかった。
地球上で最も隔絶された場所の一つであるにもかかわらず、夏の基地は非常に混雑している。建物の暖房には多くの高価な燃料が必要なため、スペースは貴重であり、言うまでもなくほとんどの人は屋内で作業する。水を溶かすにも燃料が必要なため、シャワーは週2回、2分間の流水に制限されており、これが南極点特有の作業環境の一因となっている。
結果が届き始める
7年間の作業を経て、IceCubeは2011年に、予定どおり、予算内で本格的な稼働に入った。世界中の約250人の科学者の取り組みを調整することも、もう一つの課題であったが、それはまだ序の口にすぎなかった。新しい望遠鏡の多くは、星、パルサー、電波銀河といった既知の天体を観測することで検証される。しかし、既知の高エネルギーニュートリノ源は存在しない――IceCubeは宇宙を見る全く新しい窓を開いている――そのため、私たちは自分たち自身と科学界の残りの人々に、自分たちが見ているものを理解していることを納得させる必要があった。
IceCubeの完成から2年後、私たちは、 太陽系外から届いた最初の2個のニュートリノを特定したこと――ニュートリノの空の地図における最初の記録――を 発表した。（それらをBertとErnieと名付けた。）昨年、私たちは 観測史上最高エネルギーのニュートリノを記録した：CERNで加速された陽子の1,000倍のエネルギーである。
これらのニュートリノがどこから来たのか、その一部が私たちの銀河系内で生成されたものなのか、あるいはダークマターのような未知の新しい粒子と関連しているのかをめぐって、科学界では素晴らしい議論が交わされている。より多くのデータを取得するにつれ、さらに刺激的な新発見が待っていることを期待している。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：Tyce DeYoungは、ミシガン州立大学の物理学・天文学准教授である。
画像：東南極、コモンウェルス湾のケープ・デニソンで氷上を歩くアデリーペンギン。REUTERS/Pauline Askin.
