あるグループが広東省の山中に超大型の水晶玉を設置し、地下700メートルの「宇宙の幽霊」を捕らえる計画を立てている。

2023年「中国科学普及青年スター創出コンテスト」の受賞作品

著者: 何 静文

700メートルという概念とは何ですか?高さは数十階建て、長さは7,000個ほどの「香吹吹」風船をつなげた大きさです。 700メートル下だったらどうなるでしょうか?そこに到達するには、長い傾斜シャフトを通るケーブルカーに乗る必要があります。

広東省の山奥で、あるグループが地下700メートルに大きな穴を掘り、特大の水晶玉を設置し、水晶玉の中に2万トンの最も透明な液体を注入し、玉の壁をまばゆいばかりの金色の装置で覆う計画を立てた。建設初期の洞窟の入り口に足を踏み入れると、洞窟の入り口が濃い霧で満たされていることがわかります。濃い霧の中を歩くと、水蒸気と混ざった熱波が顔に襲い掛かります。長いトンネルはまるで大きな蒸気船のようで、その湿気は人々の肌を窒息させます。背後で太陽光がすぐに遮られ、小さなジェットコースターのようなケーブルカーがあなたを地下深くへと運びます。これらはすべて魔法の世界やファンタジー小説のワンシーンではなく、中国の科学者が「宇宙の幽霊粒子」を捕らえるための実験基地です。

江門ニュートリノ実験の検出器構造の概略図出典: 江門共同研究グループ

宇宙ゴースト粒子とは何ですか?

「ゴースト粒子」は実際にはニュートリノと呼ばれます。

1930 年、物理学者パウリは、電荷を持たず、弱い相互作用をする粒子が存在するという仮説を立て、この可能性のある粒子をニュートリノと名付けました。 1956年、2人のアメリカ人物理学者がニュートリノの検出に成功し、この功績により1995年にノーベル物理学賞を受賞しました。

ニュートリノはなぜ重要なのでしょうか?なぜなら、それは私たちの物質世界の「1/4」を構成するからです。

山、川、岩、土、地球上に生きてきたすべての生命、そして宇宙の星々まで、私たちが知っている目に見えるものも目に見えないものも含めたすべての物質は、12 個の基本粒子で構成されています。これらの素粒子の中には、電子ニュートリノ (e)、ミューニュートリノ (μ)、タウニュートリノ (τ) の 3 種類のニュートリノが存在します。

ニュートリノには3つの種類があります。インターネットからの画像

ニュートリノは非常に怠け者です。これらは電気的に中性であり、物質と容易に反応しません。 10兆個のニュートリノが地球を通過すると、地球と相互作用するのは1個だけです。実際、毎秒何兆ものニュートリノが光速に近い速度で私たちの体を通り抜けていますが、私たちはそれをまったく感じることができません。これもニュートリノのこの特性によるものです。

「中国史上最も重要な物理学の発見」

ニュートリノは見えなくなるだけでなく、変形することもできます。科学界では、3種類のニュートリノ間の相互変換を「ニュートリノ振動」と呼んでいます。もっとわかりやすい比喩を使うと、e、μ、τ の 3 種類のニュートリノは、数学、中国語、英語の先生のようなものです。数学の先生が授業をしているときに突然中国語の先生になったと想像してください。中国語の先生は教えている間に、英語の先生になります。この変化がニュートリノ振動です。

カナダのSNO実験と日本のスーパーカミオカンデ実験では、それぞれ数学教師が中国語教師になり、中国語教師が英語教師になるというパターンが発見されました。これら2つの実験は共同で2015年のノーベル物理学賞を受賞しました。

それで、次に検討すべきことは、数学の教師が直接英語の教師になることはできないのかということです。

ニュートリノ振動の第3のモードはありますか?

2003年頃、中国の大亜湾実験を含む、ニュートリノの第3振動モードを検出するために8つの実験計画が国際的に提案されました。最終的に、中国の大亜湾、韓国のRENO、フランスのダブルシューの3つの計画が実施されました。ニュートリノの第3振動モードを最初に測定できる者が、物理科学におけるこの世界的な競争に勝利するでしょう。

大亜湾実験には独自の利点がある。ニュートリノは捕らえるのが容易ではないため、科学者がニュートリノを研究するには、ニュートリノを継続的に生成できる非常に強力なニュートリノ源が必要であり、大亜湾実験の検出器の近くには強力なニュートリノ源がある。

大亜湾ニュートリノ実験の中央検出器。画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

ニュートリノの発生源は自然のものでも人工のものでもかまいません。たとえば、太陽はニュートリノの超大規模な発生源です。さらに、超新星爆発や大気圏を通過する宇宙線によって、大量のニュートリノが発生します。地球もニュートリノを放出しています。私たち自身もニュートリノの発生源です。なぜなら、人体にはカリウムが含まれており、カリウム同位体の崩壊によってニュートリノが発生するからです。これらの天然ニュートリノ源に加えて、原子炉の核分裂や加速器ビームの標的化などの人工ニ​​ュートリノ源も存在します。

大亜湾実験場は大亜湾原子力発電所の原子炉からそれほど遠くない場所に位置しており、原子炉内での核分裂によって生成されたニュートリノを十分に受信できる。大亜湾の特殊性を考慮して、米国は国内で設計された2つの計画を放棄し、3,400万ドルの建設資金と科学者を投入して中国の大亜湾実験チームに加わることを決定した。

当時、すべての国は、この物理学の主要な成果を他国に先駆けて発表するために、実験ステーションの建設とデータ収集作業に時間と競争していました。

2011年8月、韓国のRENOがデータ収集を開始した一方、中国の大亜湾実験では当初8台の検出装置を構築する予定だったが、この時点で構築されたのは6台のみだった。韓国はデータ収集を早期に開始したため、いつでも結果を発表できる可能性がある。中国の大亜湾実験研究チームは決断力を持って行動し、予定より早く検出装置を起動することを決定しました！

2ヵ月後、中国の大亜湾実験はニュートリノの第3振動モードを測定し、この重要な結果を発表しました。サイエンス誌はこれをその年の世界​​トップ10の科学的ブレークスルーの1つと評価し、この成果を「中国史上最も重要な物理学の発見」とみなした。

完全にローカライズされています!新しい物語は地下700メートルから始まる

2020年に大亜湾実験は栄えある終了を迎えましたが、ニュートリノについては未だ多くの謎が残っています。

実際、大亜湾実験の構築当初から、科学研究チームは大亜湾後のニュートリノ研究について考え始めていました。科学研究者による度重なる議論と検証を経て、最終的に広東省江門市開平市の大世山が新たなニュートリノ実験基地として選定され、「江門実験」と名付けられた。その主な役割は、3種類のニュートリノの質量を分類することです。この実験を利用して、科学者は超新星、地球、太陽から放出されるニュートリノを研究したり、不活性ニュートリノを探したり、陽子の崩壊を研究したりすることもできます。

ニュートリノを研究するためには、検出器がニュートリノの痕跡をよりよく検出できるように、宇宙線と光の干渉を可能な限り遮断する必要があります。この検出器は、岩石と土地を利用して他の宇宙線を遮蔽するために地下700メートルに建設されました。もちろん、他の宇宙線を遮蔽するだけでは十分ではありません。ニュートリノの痕跡を捉える「目」も必要です。

ニュートリノを捕らえる原理は非常に単純です。研究者は地下700メートルの巨大な水晶球に「液体シンチレーター」を注入します。この液体内でニュートリノが反応すると、液体は蛍光を発します。次に、球体の周囲に散らばっている「狩猟の目」、つまり検出装置「光電子増倍管」がこれらの微弱な光信号を捕捉して電気信号に変換します。この電気信号はデータ収集システムによって保存され、分析と研究のために研究者に提供されます。

「狩猟の目」光電子増倍管撮影：Liu Yuexiang

光電子増倍管は、中国の大亜湾実験と江門実験の中心的な検出装置です。中国チームが2003年に大亜湾実験を提案したとき、中国が生産できたのは2インチの光電子増倍管だけだったが、これは口径が小さく、感度が低く、バッチ安定性が悪く、実験要件を満たすには程遠かった。当時、日本の浜松ホトニクス株式会社は高級光電子増倍管の生産をほぼ世界的に独占していました。大亜湾実験で使用された約3,000本の8インチ光電子増倍管は、米国が日本から購入したものである。

江門実験では、ニュートリノの質量順位を測定したい場合、日本の浜松ホトニクスの製品を含め、世界中の既存の光電検出装置では、新しい実験の要求を満たすことができません。さらに、浜松ホトニクスの光電子増倍管は高価で、予想コストの2倍以上です。私たちには価格交渉の主導権がありません。高性能な光電子増倍管を開発できるかどうかが、江門実験の成功の鍵となっている。

2009年頃、中国の科学研究チームは、実験要件を満たし、独占を打破し、実験コストを削減し、外部調達の主導権を獲得するために、できるだけ早く中国独自の光電子増倍管の開発を開始することを決定しました。

当時、大亜湾実験の主任科学者である王一芳氏と数人の同僚は、光電子増倍管の概念図を設計したが、その設計コンセプトは国際的に一般的に使用されている従来の方式とはまったく異なっていた。何度も議論と検証を重ねた結果、このアイデアは非常に大胆だが、原理的には実現可能だという結論に達しました。

有機ガラスボール昇降台出典：中国科学院高エネルギー物理研究所

2011年末、中国科学院高能物理研究所が主導し、北方暗視を含むいくつかの部門で構成される協力グループが設立され、新型光電子増倍管の予備研究が正式に開始された。

過去数年間、コラボレーションチームは中国のほぼ半分を旅し、研究開発で協力する意思のある企業を探してきました。彼らは、新たなプロセス条件と配合をゼロから模索し、作業者の作業習慣を変え、エリア全体で高い量子効率を維持すること、大型ガラスシェルの開発、真空包装などの技術的困難を克服しました。 2015年、中国は定められた期限前に、主要な技術指標が国際先進レベルに達し、完全に独立した知的財産権を持つ光電子増倍管のプロトタイプをようやく開発し、エンジニアリングと量産に参入するための強固な基盤を築きました。

高効率20インチ光電子増倍管は国際的に量産されたことがなく、製品の信頼性が保証されていません。研究チームは最終的に、サプライチェーンの安全性を確保するため、中国の北方暗視社が光電子増倍管1万5000本の生産を担当し、日本の浜松ホトニクス社が光電子増倍管5000本の生産を担当することを決定した。最後に、江門協力グループは、北方暗視が製造した光電子増倍管の平均検出効率を30.1%と測定しました。日本の浜松市では28.5%で、どちらも実験要件の27%を上回っていました。

江門ニュートリノ検出器の主要材料はすべて高品質の国産品であり、実験コストを大幅に削減していることは誇るに値する。

最も透明な液体のためのステンレス容器。写真：劉悦祥

なぜ基礎科学研究を行う必要があるのでしょうか?

ニュートンの法則から量子力学、ブラックホールから重力波まで、人類は常に基礎科学の成果を共有してきました。この場合、他の人が研究してくれるのを待つだけで済むのに、なぜ私たち自身で基礎科学研究を行う必要があるのでしょうか?

この点について、王一芳氏は国利科技とのインタビューで次のように答えている。「あらゆる技術的発明や科学的成果において、最初の発見者は一定の優位性を持っています。他人の成果だけを享受していると、他人から軽蔑され、富を奪われてしまいます。最先端の知識を習得すれば、自然と最先端の技術を身に付けることができます。最先端の技術があれば、残りは自然とついてくるでしょう。」

広大な宇宙に比べれば人類の歴史は極めて短い。数十億年しか存在しない地球にとってさえ、それは 1 日のうちの 1 秒ほど短いのです。しかし、このほんの一瞬の間に、人類は素晴らしい文明を築き上げ、宇宙に対する究極の答えを絶えず探求し続けています。

「素粒子物理学の魔法のような素晴らしい世界を理解することは、人類文明の発展の最高の兆候の一つです」と王一芳氏は語った。江門ニュートリノ実験は、中国で最も重要な基礎科学実験の一つであり、中国が広大な宇宙に投げかけたもう一つの天文問題である。ニュートリノの謎をさらに理解することで、広大な宇宙を探索する旅に荘厳かつ確かな一歩を踏み出すことができるかもしれません。

江門ニュートリノ実験は2015年に着工し、今年中に完了する予定だ。記事の冒頭で述べたシーンはもう存在しません。換気ダクトにより、基地の温度と湿度が実験要件を満たすことが保証されます。

地下700メートルで中国の声が聞けるのを楽しみにしています。

[本記事の査読と提案をいただいた中国科学院高エネルギー物理研究所ニュートリノ研究副研究員の趙潔氏に感謝申し上げます]