Loading article…
アイスキューブ・ニュートリノ観測所（または単にアイスキューブ）は、ウィスコンシン大学マディソン校が開発し、南極のアムンゼン・スコット南極点基地に建設されたニュートリノ観測所です。[ 1 ]このプロジェクトは、 CERNの認定実験（RE10）です。[ 2 ] [ 3 ] 数千個のセンサーが南極の氷の下に設置され、1立方キロメートルにわたって分布しています。
前身の南極ミューオン・ニュートリノ検出器アレイ（AMANDA）と同様に、IceCubeはデジタル光学モジュール（DOM）と呼ばれる球形光学センサーで構成されており、各センサーには光電子増倍管（PMT）[ 4 ]と、アレイ上空の表面にある計数室にデジタルデータを送信するシングルボードデータ収集コンピュータが備わっています。[ 1 ]
DOM（ドーム型観測装置）は、温水ドリルで氷を溶かして作った穴の中に、それぞれ60個のモジュールを連ねて、深さ1,450メートルから2,450メートルの間に設置されます。IceCubeは、テラ電子ボルト（TeV）領域のニュートリノの点源を探し、最高エネルギーの天体物理学的プロセスを調査するように設計されています。
IceCubeは2010年12月18日に完成しました。[ 5 ] IceCube観測所のアップグレードは2019年に承認され、2026年2月12日に正常に展開されたことが発表されました。これは、15年前の開始以来初めての大幅な拡張となります。[ 6 ]
IceCubeは、ウィスコンシン大学マディソン校が開発・監督する一連のプロジェクトの一部です。世界中の他の多くの大学や研究機関が協力と資金を提供しています。[ 7 ] IceCubeの建設は、太陽が常に照りつける11月から2月までの南極の南半球の夏にのみ可能でした。この時期には24時間掘削が可能です。建設は2005年に始まり、最初のIceCubeストリングが展開され、光学センサーが正しく機能することを確認するのに十分なデータが収集されました。[ 8 ] 2005年から2006年のシーズンには、さらに8つのストリングが展開され、IceCubeは世界最大のニュートリノ望遠鏡となりました。
建設は2010年12月17日に完了した。[ 9 ] [ 10 ]プロジェクトの総費用は2億7900万ドルだった。[ 11 ]
IceCube の 2010 年以来の最初のアップグレード (2026 年 2 月に完了) では、既存の 86 本のストリングの底部中央に、より間隔が狭く密度の高い 5 本の計器付き光センサー ストリングが追加され、氷に埋め込まれているセンサーの数に、新たに強化されたセンサーと校正機器が 600 個以上追加されました。アップグレード中に、既存のセンサーよりも感度が 2 ～ 3 倍高い 2 種類の新しい光センサー、マルチ PMT デジタル光モジュール (mDOM) と「第 2 世代用楕円体ガラスのデュアル光センサー」(D-Egg) が追加されました。また、世界で最も深い南極の氷の下に 2 台の地震計も設置されました。[ 6 ]
2026年のIceCubeアップグレードは、将来のIceCube-Gen2への「足がかり」と位置づけられており、実現すれば観測機器は8倍に強化されることになる。[ 6 ] 2026年現在、アレイのさらなるアップグレード計画は連邦政府の承認手続き中である。[ 12 ] [ 13 ]承認されれば、IceCube-Gen2の検出器はそれぞれ既に設置されているものの8倍の大きさになる。観測所はより多くの粒子源を検出し、低エネルギーレベルと高エネルギーレベルの両方でその特性をより細かく識別できるようになる。[ 12 ]
アイスキューブ・ニュートリノ観測所は、主要な氷内アレイに加えて、複数のサブ検出器で構成されている。
PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade) は、低エネルギー ニュートリノ (GeV エネルギー スケール) の検出を可能にする提案された拡張であり、ニュートリノ質量階層の決定、大気ニュートリノ振動の精密測定 (タウ ニュートリノの出現とミュー ニュートリノの消失の両方)、太陽でのWIMP消滅の探索などの用途があります。 [ 15 ]より大規模な観測所、IceCube-Gen2 の構想が提示されています。[ 16 ]
ニュートリノは電気的に中性のレプトンであり、弱い力によって物質と相互作用することは非常にまれです。ニュートリノが氷中の水分子と電荷電流相互作用によって反応すると、ニュートリノのフレーバーに対応する電荷を持つレプトン（電子、ミューオン、またはタウ）が生成されます。これらの電荷を持つレプトンは、十分なエネルギーがあればチェレンコフ放射を放出します。これは、荷電粒子が氷の中を光速よりも速く移動するときに起こります。これは、波よりも速く進む船のバウショックに似ています。この光は、 IceCubeを構成するデジタル光学モジュール内の光電子増倍管によって検出されます。
3種類の荷電レプトンの検出器信号はそれぞれ異なるため、荷電カレント事象におけるニュートリノの種類を特定することが可能です。一方、ニュートリノが中性カレントを介して氷から散乱された場合、荷電レプトンが生成されないため、最終状態にはニュートリノの種類に関する情報は含まれません。
光電子増倍管（PMT）からの信号はデジタル化され、ケーブルを通して氷河の表面に送られます。これらの信号は表面の計数室で収集され、その一部はさらなる解析のために衛星経由で北へ送られます。2014年以降、残りのデータはテープではなくハードディスクに保存され、年に一度船で北へ送られます。データが実験者に届くと、入射ニュートリノの運動学的パラメータを再構築することができます。高エネルギーニュートリノは検出器で大きな信号を発生させ、その発生源を示唆します。このようなニュートリノの方向のクラスターは、ニュートリノの点源を示します。
上記の各ステップには一定の最小エネルギーが必要であり、そのためIceCubeは主に10⁷～約10²¹eVの範囲の高エネルギーニュートリノに感度が高い。[ 17 ]
IceCube は、他の荷電レプトンよりもミューオンに対して感度が高い。これは、ミューオンが最も透過力が高く、検出器内で最も長い飛跡を残すためである。したがって、ニュートリノの種類の中で、IceCube はミューオン ニュートリノに対して最も感度が高い。電子ニュートリノ事象から生じる電子は、通常、チェレンコフ閾値を下回るほどエネルギーを失う前に数回散乱する。つまり、電子ニュートリノ事象は通常、発生源を特定するために使用できないが、検出器内に完全に閉じ込められる可能性が高く、エネルギー研究に役立つ可能性がある。これらの事象は、「飛跡」のような形ではなく、球形または「カスケード」のような形をしている。ミューオン ニュートリノ事象は、より飛跡のような形をしている。
タウレプトンもカスケード現象を引き起こす可能性がありますが、寿命が短く、崩壊する前に遠くまで移動できないため、通常は電子カスケードと区別できません。タウは、タウの生成時と崩壊時の両方でカスケードが見られる「ダブルバン」現象によって電子と区別できます。これは、非常に高エネルギーのタウでのみ可能です。理論的には、タウの飛跡を分解するには、タウが 崩壊する前に少なくとも1つのDOMから隣接するDOM（17 m）まで移動する必要があります。タウの平均寿命は2.9 × 10 −13 秒、光速に近い速度で移動するタウは、 1メートル移動するごとに 20 TeV のエネルギーを必要とする。[ 18 ]実際には、実験者は 2 つのカスケードを区別するために 1 つの DOM から次の DOM までよりも広いスペースを必要とするため、ダブルバン探索はPeVスケールのエネルギーを中心としている。このような探索は進行中だが、これまでのところ、ダブルバンイベントをバックグラウンドイベントから分離できていない。低エネルギーのタウニュートリノを検出するもう 1 つの方法は、「ダブルパルス」シグネチャによるもので、単一の DOM がニュートリノ相互作用とタウ崩壊頂点に対応する 2 つの異なる光到着時間を検出する。[ 19 ]また、畳み込みニューラルネットワークなどの機械学習 (ML) 技術を使用してタウニュートリノ信号を区別することもできる。2024 年に、IceCube コラボレーションは、このような技術を使用して 7 つの天体物理学的タウニュートリノ候補の発見を発表した。[ 20 ] [ 21 ]
天体物理学的起源のニュートリノではなく、検出器上空の大気に衝突する宇宙線によって生成されるミューオンのバックグラウンドがかなり大きい。IceCubeで観測されるニュートリノ誘起ミューオンよりも、宇宙線ミューオンは約10⁶倍多い。 [ 22 ] [ 23 ]これらのほとんどは、下向きに進んでいるという事実を利用して除外できる。残りの（上向きの）イベントのほとんどはニュートリノによるものだが、これらのニュートリノのほとんどは地球の裏側に衝突する宇宙線によるものであり、未知の割合が天体起源である可能性があり、これらのニュートリノがIceCubeの点源探索の鍵となる。推定では、完全に構築されたIceCube検出器では、1日あたり約75個の上向きニュートリノが検出されると予測されている。これらの天体物理学的ニュートリノの到来方向は、IceCube望遠鏡が空をマッピングするポイントである。[ 23 ]これら 2 種類のニュートリノを統計的に区別するために、入射ニュートリノの方向とエネルギーは、衝突生成物から推定されます。エネルギーの予期せぬ過剰、または特定の空間方向からの過剰は、地球外起源であることを示します。[ 23 ]
ニュートリノの点源は、最高エネルギー宇宙線の起源の謎を解明するのに役立つ可能性がある。これらの宇宙線は、銀河磁場に閉じ込められないほどエネルギーが高い（そのジャイロ半径は銀河の半径よりも大きい）ため、銀河外の起源から来ていると考えられている。このような高エネルギー粒子を生成するほど壊滅的な天体物理学的現象は、おそらく高エネルギーニュートリノも生成し、ニュートリノは相互作用が非常にまれであるため、ほとんど偏向せずに地球に到達する可能性がある。IceCubeはこれらのニュートリノを観測できる。その観測可能なエネルギー範囲は約100 GeVから数PeVである。イベントのエネルギーが高いほど、IceCubeがそれを検出できる体積は大きくなる。この点において、IceCubeは、Super-K （内向きの光電子増倍管で基準体積を固定する）のような他のニュートリノ実験よりも、ピエール・オージェ天文台（チェレンコフ検出器タンクのアレイ）のようなチェレンコフ望遠鏡に似ている。
IceCubeは、南半球よりも北半球の点源に対して感度が高い。あらゆる方向からの天体ニュートリノ信号を観測できるが、南半球の方向から来るニュートリノは宇宙線ミューオンのバックグラウンドに埋もれてしまう。そのため、IceCubeの初期の点源探索は北半球に焦点を当てており、南半球の点源への拡張には追加の作業が必要となる。[ 24 ]
IceCubeは（従来型の望遠鏡が検出する光子の数に比べて）検出するニュートリノの数はごくわずかと予想されているものの、検出するニュートリノについては非常に高い解像度を持つはずです。数年間の運用を経て、宇宙マイクロ波背景放射やガンマ線望遠鏡など、IceCubeと同様に粒子用語を用いる既存のマップと同様の、北半球のフラックスマップを作成できる可能性があります。同様に、KM3NeTは南半球のマップを完成させることができるでしょう。
IceCubeの科学者たちは、2006年1月29日に初めてニュートリノを検出した可能性がある。[ 25 ]
陽子同士または光子と衝突すると、通常はパイ中間子が生成されます。荷電パイ中間子はミューオンとミューニュートリノに崩壊し、中性パイ中間子はガンマ線に崩壊します。ニュートリノ束とガンマ線束は、ガンマ線バーストや超新星残骸などの特定の発生源で一致する可能性があり、その起源が捉えどころのないものであることを示しています。IceCubeのデータは、この目的のためにSwiftやFermiなどのガンマ線衛星と併用されています 。IceCubeはガンマ線バーストと同時にニュートリノを観測していませんが、この探索を利用して、ニュートリノ束を現在のモデルで予測される値よりも小さい値に制限することができます。[ 26 ]
弱く相互作用する重粒子（WIMP）暗黒物質は、太陽のような質量のある天体に重力的に捕らえられ、太陽の中心部に蓄積される可能性がある。これらの粒子の密度が十分に高ければ、かなりの割合で互いに消滅するだろう。この消滅の崩壊生成物はニュートリノに崩壊し、IceCubeによって太陽の方向からのニュートリノの過剰として観測される可能性がある。WIMP消滅の崩壊生成物を探すこの手法は、閉じ込められた計測器の体積内で相互作用する暗黒物質を探す直接探索とは対照的に、間接探索と呼ばれる。太陽は直接探索検出器よりも軽い元素（例えばキセノンやゲルマニウム）で構成されているため、太陽WIMP探索は多くの直接探索よりもスピン依存WIMPモデルに対して感度が高い。IceCubeは、 22ストリング検出器（全検出器の約1/4 ）でAMANDAの制限よりも優れた制限を設定している。[ 27 ]
IceCubeは、地球を横断する基線上で、大気宇宙線シャワーからのニュートリノ振動を観測できます。最も感度が高いのは約25 GeVで、これはDeepCoreサブアレイが最適化されているエネルギー範囲です。DeepCoreは、2009年から2010年の南半球の夏に展開された6つのストリングで構成され、水平方向と垂直方向の間隔がより狭くなっています。2014年に、DeepCoreデータを使用して混合角θ 23と質量分裂Δm 2 23が決定されました。[ 28 ]この測定はその後、より多くのデータと改良された検出器の較正とデータ処理によって改善されました。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
より多くのデータが収集され、IceCube の測定がさらに改良されるにつれて、 ニュートリノ質量階層を決定する ~15 GeV での振動パターンの特徴的な変化を観測できる可能性がある。質量階層を決定するこのメカニズムは、混合角θ 13が大きい場合にのみ機能する。[ 32 ]
超新星から放出されると予想される個々のニュートリノのエネルギーは、IceCubeのエネルギーカットオフをはるかに下回るが、IceCubeは局所的な超新星を検出できる。それは、検出器全体にわたる短時間の相関したノイズ率の上昇として現れるだろう。1/r 2の距離依存性が支配的になる前に十分なニュートリノを得るには、超新星は（我々の銀河系内で）比較的近い位置にある必要がある。IceCubeは超新星早期警戒システム（SNEWS）のメンバーである。[ 33 ]
不活性ニュートリノの特徴は、1 TeV付近の大気ニュートリノのエネルギースペクトルの歪みであり 、IceCubeはこの歪みを探索する上で他に類を見ない位置にある。この特徴は、大気ニュートリノが地球の物質と相互作用する際の物質効果によって生じる。
記述された検出戦略は、南極の位置と相まって、この検出器が弦理論で予測される余剰次元の最初の確固たる実験的証拠を提供することを可能にする可能性がある。弦理論を含む素粒子物理学の標準模型の多くの拡張は、不活性ニュートリノを提案している。弦理論では、これは閉じた弦から作られる。これらは戻ってくる前に余剰次元に漏れ出し、光速よりも速く移動しているように見える可能性がある。これを検証する実験は近い将来可能になるかもしれない。[ 34 ] さらに、高エネルギーニュートリノが微小ブラックホールを生成する場合（弦理論のいくつかの側面で予測されているように）、粒子のシャワーが生成され、「ダウン」ニュートリノが増加し、「アップ」ニュートリノが減少することになる。[ 35 ]
2016年、IceCube検出器の科学者たちは、無菌ニュートリノの証拠を何も見つけられなかった。[ 36 ]
IceCubeコラボレーションは、点源からのニュートリノ[ 37 ] 、ガンマ線バースト[ 38 ] 、太陽におけるニュートラリーノ消滅のフラックス制限を発表しており、これはWIMP-陽子断面積に影響を与える[ 39 ]。
月による遮蔽効果が観測されている。[ 40 ] [ 41 ]宇宙線陽子は月によって遮られ、月の方向の宇宙線シャワーミューオンが不足する。宇宙線ミューオンには、小さい（1%未満）が確かな異方性が観測されている。[ 42 ]
2013年11月、IceCubeが太陽系外から来たと思われる28個のニュートリノを検出し、その中にペタ電子ボルトの高エネルギーニュートリノ2個が含まれており、これらは現在までに発見された中で最もエネルギーの高いニュートリノであると発表された。[ 43 ] この2個は、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「バート」と「アーニー」と名付けられた。 [ 44 ] 2013年後半には、検出されたニュートリノの数は37個に増加し[ 45 ]、その中には「ビッグバード」と名付けられた2000TeVの新しい高エネルギーニュートリノも含まれていた。[ 46 ]
IceCubeは、2014年に10～100 GeVの大気ミューオンニュートリノの消失を測定し、 DeepCore [ 28 ] を含む2011年5月から2014年4月までの3年間のデータを使用して、ニュートリノ振動パラメータΔm 2 32 =を決定しました。 2.72 +0.19 −0.20 × 10 −3 eV 2および sin 2 (θ 23 ) =0.53 +0.09 −0.12 (通常の質量階層) であり、他の結果と同程度である。2017 年により多くのデータを使用して測定が改善され、2019 年に大気タウニュートリノの出現が測定された。[ 29 ] [ 30 ] 2023 年以降の検出器の校正とデータ処理の改善による最新の測定では、振動パラメータのより正確な値が得られ、∆m 2 32 = (2.41 ± 0.07) × 10 −3 eV 2および sin 2 (θ 23 ) = 0.51 ± 0.05 (通常の質量階層) が決定された。[ 31 ]
2018年7月 、IceCubeニュートリノ観測所は、2017年9月に検出器に衝突した極めて高エネルギーのニュートリノを、オリオン座の方向に37億光年離れたブレーザーTXS 0506 +056の 発生源まで追跡したと発表した。この結果の統計的有意性は3～3.5σであった。 [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]これは、ニュートリノ検出器が宇宙の物体の位置を特定するために使用された初めての事例であり、宇宙線の発生源が特定されたことを示している。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]
2020年には、 2.3σでのグラショウ共鳴（反ニュートリノと電子の衝突におけるWボソンの形成）の証拠が発表された。 [ 53 ]
2021年2月、潮汐破壊現象（TDE）AT2019dsgがニュートリノ源の候補として報告され[ 54 ] [ 55 ]、2022年6月にはTDE AT2019fdrが2番目の候補として報告された[ 56 ] [ 57 ]。
2022年11月、IceCubeはメシエ77の活動銀河核から放出されたニュートリノ源の強力な証拠を発表した。[ 58 ] [ 59 ]これはTXS 0506+056に続くIceCubeによる2番目の検出であり、SN1987Aと太陽ニュートリノを含めて4番目の既知の発生源である。OKS 1424+240とGB9は他の候補である。[ 60 ]
2023年6月、IceCubeは銀河面からのニュートリノ拡散放射を4.5σの有意水準で銀河マップとして特定した。[ 61 ] [ 62 ]
2026年6月10日、アイスキューブニュートリノ観測所は高エネルギー単一ニュートリノ検出イベントを記録した[ 63 ]。これは2026年2月のアップグレード展開以来、同観測所にとって初の「ゴールド」イベントである[ 64 ] 。
{{cite press release}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)