南シナ海の海底にある「海の鐘」は、実は宇宙からの幽霊の使者を捕らえるために使われているのです！

何百年もの間、科学者たちは望遠鏡を使って宇宙の光子を捉え、天文学的な観測を行ってきました。今日、彼らには新たな選択肢があります。ニュートリノは幽霊のように極めて強い透過力を持っており、極端に密度の高い宇宙や天体環境から方向を変えることなく簡単に逃げ出すことができます。これらは、科学者が激しい天体現象の背後にあるメカニズムを解明し、宇宙の謎を解くのに役立ちます。

上海交通大学が10月10日に開催した南シナ海ニュートリノ望遠鏡「海鐘プロジェクト」成果記者会見で、李宗道研究所は「海鐘プロジェクト」の青写真を正式に発表した。このプロジェクトは、中国科学院の院士である景一鵬氏と、李宗道奨学生である徐東連氏が主任科学者として主導している。高エネルギー（サブTeVからペロ電子ボルト）の天文ニュートリノを捕捉して極限宇宙を探査するための中国初の深海ニュートリノ望遠鏡の建設を検討します。

報道によると、海嶺チームは初の海上試験ミッションを完了し、ニュートリノ望遠鏡の設置場所候補海域の実現可能性を測定・検証し、「海嶺」ニュートリノ望遠鏡の概念設計を完了したという。当該論文は10月9日付けの「Nature Astronomy」に掲載された。

ニュートリノとは何ですか?

1920 年代後半、ベータ崩壊 (原子核が電子を放射して別の原子核に変化する現象) を研究していた科学者たちは、この過程でエネルギーの一部が消失することを発見しました。このことは科学者たちを困惑させている。エネルギー保存の法則は亜原子過程においても依然として適用されるのだろうか？ 1930年、当時30歳だったハンガリーの物理学者パウリは、エネルギー保存の法則を固く信じ、並外れた直感で次のように予言しました。「このプロセスには、電荷を持たず、質量が極めて小さく、物質と非常に弱く相互作用するため検出できない新しい粒子が存在するはずだ。」そのエネルギーの一部を奪うのは粒子です。彼はこの未知の粒子を「小さな中性子」と呼び、現在では「ニュートリノ」と呼ばれています。

1942年、アメリカの物理学者アレンは、中国の物理学者王干昌が提唱した方法に従った実験を通じて、初めてニュートリノの存在を間接的に確認した。

ニュートリノは物質と非常に弱い相互作用をするため、直接検出することは非常に困難です。パウリ自身も、ニュートリノは決して検出されないかもしれないと信じていました。しかし、困難が科学の進歩を妨げることはできません。パウリがニュートリノ仮説を提唱してから26年後、カリフォルニア大学のレインズ教授らは、400リットルの酢酸カドミウム水溶液を標的液として使い、新たに稼働させた原子炉（ニュートリノ源）内に設置した。彼らは1時間あたり2.8個のニュートリノを測定しましたが、これは彼の理論的予測と完全に一致していました。この功績により、レイニスは1995年のノーベル物理学賞を受賞した。

現代の宇宙論の研究によれば、ニュートリノの種類の上限は 3 であり、つまりニュートリノには 3 つの種類があるということです。上記で発見された電子型ニュートリノの他に、ミューオン型ニュートリノ（1962年発見）とタウ型ニュートリノ（1975年発見）もあり、それぞれ同じ反ニュートリノを持っています。

ニュートリノに質量があるかどうかは、この研究分野で最も注目を集めるトピックです。 1970 年代以前は、ニュートリノの質量はゼロであると一般に信じられていました。 1980年、ソ連の理論実験物理学研究所は、10年間の試験を経てニュートリノの質量が17〜40電子ボルトであると発表し、世界中の物理学界に大きな衝撃を与えた。それ以来、世界中の多くの有名な研究室がさまざまな方法を採用してこの結果を測定および検証してきました。我が国の原子力研究所の専門家も 1980 年代半ばにこの研究を実施し、一定の成果を達成しました。

2015年10月6日、ニュートリノ振動を通じてニュートリノが質量を持つことを発見した研究が評価され、日本の科学者梶田隆章氏とカナダの科学者アーサー・マクドナルド氏にノーベル物理学賞が授与されました。

読者は、ニュートリノと物質の相互作用は非常に弱く、捉えにくいので、それを研究する意味は何かと疑問に思うかもしれません。

ニュートリノを研究することの意義は何ですか?

もちろん、ニュートリノ 1 個は取るに足らないものですが、私たちの宇宙には大量のニュートリノが存在します。粒子は宇宙の隅々まで満ちており、平均すると 1 立方センチメートルあたり約 300 個あります。これは光子とほぼ同じで、他のすべての粒子の数十億倍に相当します。したがって、ニュートリノは全体として宇宙において重要な役割を果たします。

さらに、ニュートリノにはもう一つの能力があります。それは、惑星の内部を自由に移動できるため、太陽や惑星に関する内部情報をもたらすことができるということです。科学者たちはまた、ニュートリノのこの特性を利用して地球のトモグラフィースキャンを実行し、地球の奥深くに埋もれた謎を明らかにすることも構想している。彼らはまた、ニュートリノが地球を貫通して情報を伝達できるようにすることで、長距離通信に衛星や地上局を経由する必要がなくなることも構想している。明らかに、謎に包まれたニュートリノが完全に理解されれば、その応用範囲は極めて広くなるでしょう。

これまでニュートリノはどのようにして検出されてきましたか?

ニュートリノの最大の特徴は、いかなる物質ともほとんど反応しないことです。その存在を感じることはできず、科学的に検出することは極めて困難です。したがって、ニュートリノの発見と研究のプロセスは、数世代にわたる科学研究者の懸命な努力の結晶です。

中国はこの分野で重要な貢献を果たした。 2012年、大亜湾ニュートリノ研究所は、ニュートリノ研究における重要なマイルストーンとなる新しいニュートリノ振動モードの発見を発表しました。 2020年12月、大亜湾原子炉ニュートリノ実験は科学的ミッションを無事完了し、正式に退役しました。同時に、もう一つの「国宝」、江門ニュートリノ実験検出器の建設が始まりました。

江門ニュートリノ実験施設（JUNO）は、広東省江門市開平市にあります。中国科学院と広東省が共同で建設した大規模な科学施設です。その主な科学的目標は、ニュートリノの質量順序を決定し、ニュートリノ混合パラメータを正確に測定することであり、その他にも多くの最先端の科学研究を行っています。このプロジェクトは2024年に完成し、稼働する予定で、国際的なニュートリノ研究の中心地の一つとなる予定だ。

江門ニュートリノ実験は2015年に建設が始まり、広東省江門市開平市金鶏鎮と赤水鎮の大石山に建設された。現在、基礎工事はほぼ完了しており、地下実験室や関連する水道、電気、ガスなどの設備もすべて完成し、設置されており、現在は検出器の設置が始まっています。

ニュートリノを検出する方法の 1 つは、液体シンチレータ検出器を使用してニュートリノが生成する信号を捕捉することです。

研究者は透明な特殊液体、液体シンチレータ（「液体シンチレータ」と略される）をプレキシガラスのボールに注入します。ニュートリノが球体を通過すると、液体中に密に分布している水素原子核と反応する可能性が一定程度あります。それぞれの反応で陽電子と中性子が生成されます。陽電子は消滅して高速信号を放出しますが、中性子は衝突を繰り返した後に他の水素原子核に吸収され、低速信号を放出します。連続した2回の閃光により、ニュートリノの所在が明らかになった。

「検出器が大きくなればなるほど、捕捉できる信号が増え、収集できるデータも増え、他の検出器では見えないものも見えやすくなります。

Hailing プロジェクトはどのようにしてニュートリノを「捕捉」するのでしょうか?

「海鐘プロジェクト」の第一探査隊は海上試験を経て、南シナ海北部で水深約3.5キロの深海平原を発見したとみられる。海底は平坦で、海底から数百メートル以内では流速が遅く、海水中で測定された放射能は一般海水の公開データと一致しています。

シーベル望遠鏡は地球全体をシールドとして使い、地球の反対側から侵入するニュートリノを受信します。 「シーベル望遠鏡は赤道付近に位置しているため、地球の自転を通じて全天360度のニュートリノを検出でき、さまざまな方向のニュートリノの全周観測を実現し、南極のアイスキューブや北半球の他のニュートリノ望遠鏡を補完します。」

パスファインダーチームは、約3,420メートルの深さの海水の光学特性も測定した。結果によると、平均吸収長と散乱長はそれぞれ約 27 メートルと 63 メートルでした。透明な海水は、ニュートリノと海水の反応の痕跡をより鮮明に「記録」することができます。

「Hailing」プロジェクトの第1フェーズは2022年末に開始された。選定された海域に10基の望遠鏡を建設し、長距離海底ケーブルを通じて南シナ海の島基地に接続する計画だ。 2026年には世界初の赤道付近の小型ニュートリノ望遠鏡の建設を完了し、天の川銀河内外の天体源の探索を行い、大規模アレイ建設の全連鎖技術検証を完了する予定です。最終的な目標は、究極の大規模アレイを構築することです。

「シーベル」検出器アレイは、それぞれ約700メートルの長さの垂直ケーブル1,200本で構成され、ケーブル間隔は70〜100メートルで、海藻のように海底に垂直に「成長」します。これらのケーブルには、合計 24,000 個の高解像度光検出ボールが搭載されています。アレイ全体の直径は約4キロメートル、総面積は約12平方キロメートルです。高エネルギーニュートリノ反応を監視できる海水の容量は約7.5立方キロメートルで、設計寿命は20年です。

科学者たちは、シーベル検出器アレイが完成してから1年以内に、くじら座の棒渦巻銀河で安定したニュートリノ源を発見できるようになり、アイスキューブが10年間のデータを使って予備的に観測したものと同様の超大質量ブラックホールからのニュートリノバーストを発見できるようになると予測している。シーベル望遠鏡は2030年頃には世界で最も先進的なニュートリノ望遠鏡となる予定だ。

出典：科学普及 中国総合科学技術日報