世界的な成果を支えた、IceCube唯一の日本チーム
ウィスコンシン大学マディソン校のフランシス・ハルツェン氏（82）が、IceCubeニュートリノ観測所と、遠方の宇宙起源から飛来する高エネルギー粒子の発見により、2026年のノーベル物理学賞を受賞した。10月6日に発表された今回の受賞は、2002年から貢献してきた千葉大学の研究も評価するものだ。同大は共同研究に参加する唯一の日本の機関である。
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スウェーデン王立科学アカデミーはノーベル賞の発表で、ハルツェン氏の受賞理由を「IceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献と、天体物理学的起源を持つ高エネルギーニュートリノの発見」としている。賞金は1200万スウェーデンクローナ。
千葉大学は、最初の宇宙ニュートリノ信号の特定から、南極点の地下に設置された装置の製作まで幅広く貢献してきた。同大の研究者はニュートリノと遠方銀河との関連付けや、まれな反ニュートリノ反応の初検出に携わったほか、IceCubeの最新拡張で設置された600基超の光検出器の約40％を製造した。
同大国際高等研究基幹ハドロン宇宙国際研究センター長の吉田滋教授（60）と石原安野教授（52）は、10月6日に千葉市の西千葉キャンパスで開かれた記者会見で受賞を歓迎した。石原教授は名古屋からオンラインで参加した。
ノーベル賞の受賞者として個人名が挙がったのはハルツェン氏だ。しかし観測所の成果は、14カ国58機関、約450人の科学者による国際的な取り組みの賜物である。千葉大学の役割は、小規模な研究グループが観測データの解釈と次世代装置の設計の双方で、いかに重要な存在となったかを示している。
1988年の構想から、体積1立方キロメートルの観測所へ
ハルツェン氏は1988年、南極の氷を使ってニュートリノを検出する構想を初めて発表した。1944年にベルギーのティーネンで生まれ、1969年にルーヴェン・カトリック大学で博士号を取得。その後、ウィスコンシン大学マディソン校の教授となった。構想の実現には、従来型の実験装置を建設するのではなく、膨大な天然氷を粒子検出器に変える必要があった。
完成した観測所は、アムンゼン・スコット南極点基地の地下にある体積1立方キロメートルの氷を観測に利用する。初期の検出器群は、86本のケーブルに沿って配置された5160基の光学モジュールで構成され、各ケーブルには60基が取り付けられている。
建設は2004年に始まった。完了時期については資料により異なり、千葉大学のプロジェクト史では2010年12月に建設が終わったとされる一方、ノーベル賞の発表では2011年に完成したと説明されている。全86列の運用が始まったのは2011年で、設置作業の終了と、全検出器群による観測の開始を区別できる。
当初の建設費は2億7100万米ドルと報じられており、資金の大半は米国立科学財団（NSF）が拠出した。NSFは受賞に関する声明で、20年以上にわたってIceCubeの設計、建設、運用に投資してきたとしている。遠隔地にある基地での建設は、米国南極プログラムが支援した。
ノーベル物理学賞委員会のマーク・ピアース委員長は、構想を稼働する観測所へと発展させたハルツェン氏の指導力を評価した。
フランシス・ハルツェン氏は、素晴らしい装置を実現した研究者と技術者による国際チームを率いてきました。その粘り強さと科学的なビジョンが、新たな天文学への道を切り開きました
通常は地球を通り抜ける粒子を、氷で捉える仕組み
ニュートリノには電荷がなく、物質と反応する確率も極めて低い。その大半は検出可能な痕跡を残さず地球を通り抜ける。観測は難しい一方で、有用な情報を運ぶ粒子でもある。電荷を持つ宇宙粒子と異なり、磁場によって進路を曲げられないためだ。
検出器がニュートリノを直接撮影するわけではない。ニュートリノが原子核や電子とまれに反応すると、荷電粒子が生じる。その粒子がチェレンコフ光を放つことがある。これは、荷電粒子が物質中を、その物質中の光速より速く進む際に生じる微弱な光だ。
IceCubeの光センサーは、この光の到達時刻と明るさを記録する。研究者はその測定値から、飛来した粒子のエネルギーと進行方向を推定する。ニュートリノの反応がまれな分、観測領域を広大にすることで補っている。
千葉大学のIceCubeプロジェクトの説明によると、当初のモジュールは地下1450～2450メートルに設置された。ほかの資料では1400～2600メートルという幅広い範囲が示されている。最新の拡張では2600メートルまで掘削したが、これは建設時の掘削深度であり、当初のセンサーの設置深度とは区別する必要がある。
各モジュールには、微弱な光を測定可能な電気信号に変換する光電子増倍管が搭載されている。日本の浜松市に本社を置く浜松ホトニクスは、IceCubeの検出器に使われる光電子増倍管を開発し、大学の研究者に加えて日本の産業界も貢献した。
光の検出は、観測の第一歩にすぎない。ウィスコンシン大学IceCube粒子宇宙物理学センターでデータ処理とシミュレーションを統括するフアン・カルロス・ディアス・ベレス氏によると、IceCubeはニュートリノ1個を検出する間に、宇宙線によって生じたミューオンを100万個以上検出する。ミューオンも荷電粒子で、明るい軌跡を残すことがあるため、ニュートリノ事象を特定する際には膨大な背景信号となる。
ディアス・ベレス氏によると、観測データの処理とシミュレーションには、分散コンピューティング網を通じて約1万個のCPUコアと1000基のグラフィックス処理装置（GPU）を利用する。NSFも、同財団のコンピューター施設がIceCubeの測定結果の解釈に貢献しているとしている。
千葉大学が捉えた初期信号と発見時期
千葉大学によると、同大のグループはIceCube共同研究が発足した2002年に参加した。吉田教授は1990年代からハルツェン氏と面識があったが、プロジェクトへの参加には大きな不確実性が伴った。同教授は大学の受賞に関するコメントで、ニュートリノが高エネルギー宇宙を観測する実用的な手段となり得るのか、当時は懐疑的な見方が広く存在したと振り返っている。
石原教授は2004年に博士号を取得後、2005年1月にウィスコンシン大学のグループに加わり、2006年に研究拠点を千葉大学へ移した。人員も資金も限られるなか、より大規模な共同研究の中で独自の貢献を果たすため、自ら解析手法を開発したチームについて説明している。
この手法は、非常に高エネルギーの事象を2件特定するうえで役立った。千葉大学の詳細なプロジェクト史によると、観測されたのは2011年8月と2012年1月で、エネルギーはそれぞれ1.04±0.16ペタ電子ボルトと1.14±0.17ペタ電子ボルトだった。ペタ電子ボルト（PeV）は1000兆電子ボルトで、粒子のエネルギーを表す単位である。
大学は2012年6月の国際学会で初期成果を発表した。論文は2013年7月に「フィジカル・レビュー・レターズ」に掲載され、より広範な解析結果は同年12月に「サイエンス」で発表された。この経緯が、千葉大学が発見を2012年とする一方、NSFとIceCubeのノーベル賞発表が重要な成果を2013年としている理由を説明する。
初期の2事象の時期については資料間で食い違いがあり、2013年と2014年に検出されたとする資料もあれば、千葉大学の詳しい記録では2011年と2012年とされている。大学の記録にはエネルギーの概要にも異なる記述があるが、個々の事象については上記の値と誤差が記載されている。
その後の解析で、当初の2件に加えて26件の事象が確認された。千葉大学の記録によると、28件のうち約11件は背景事象と予想されていた。事象のエネルギーや形状、到来方向から、統計的有意度が4標準偏差を超える確度で宇宙起源と判断された。
千葉大学は、新たなエネルギー領域を、1987年にカミオカンデが観測したニュートリノと比べて約1億倍高いとしている。NSFはより広い比較を用い、検出されたニュートリノは、それまで観測されていたものの100万倍を超えるエネルギーを持っていたとしている。これらは異なる基準での比較であり、同一の測定結果として扱うべきではない。
ニュートリノをたどり、遠方銀河に行き着く
宇宙ニュートリノの発見によって、自然界の粒子加速器がニュートリノを生み出していることが明らかになった。発生源の特定にはさらなる段階が必要だった。ニュートリノの到来方向の推定と、ほかの観測装置による観測結果を組み合わせることだ。
日本時間の2017年9月22日、IceCubeはIC170922Aとして知られる事象を検出した。ガンマ線衛星と光学望遠鏡が速報を受けて追跡観測し、この事象を超大質量ブラックホールに関連するブレーザー「TXS 0506+056」と結び付けた。成果は2018年に発表され、「サイエンス」に掲載された。
ブレーザーは、強力なジェットが地球に向いている活動銀河核だ。当初の記述では、2018年の成果はニュートリノがこのブレーザーから来た可能性を示す証拠とされている。千葉大学はこれをニュートリノ源の初特定と位置付け、NSFは別の銀河にある超大質量ブラックホールからニュートリノが到来したことを示す決定的な証拠としている。
この関連付けには、研究者がマルチメッセンジャー天文学と呼ぶ手法が欠かせなかった。同じ宇宙活動を、ここではニュートリノと複数の種類の電磁波という異なる信号を通じて調べるものだ。ニュートリノは光だけでは得られない情報をもたらし、望遠鏡の観測はその方向にある天体の特定に役立った。
高エネルギー宇宙の観測を専門とする広島大学の深沢泰司教授は、千葉大学が検出器の開発・組み立てや、ニュートリノ情報を世界各地の観測所に迅速に配信するシステムに貢献したと評価した。この速報システムによって、連携した追跡観測が可能になった。
IceCubeはその後、別の銀河「NGC 1068」（別名メシエ77）からニュートリノが放出されている証拠を報告した。NSFによると、2023年には天の川銀河のニュートリノ観測を発表し、ニュートリノに基づく銀河の初画像を作成した。観測は、個々の粒子の検出から、その発生源の地図作成へと進みつつある。
まれな反ニュートリノ反応で素粒子物理学を検証
千葉大学は、2021年に「ネイチャー」で発表された成果にも貢献した。電子反ニュートリノによるグラショウ共鳴の初検出だ。反ニュートリノは、ニュートリノに対する反物質の粒子である。
グラショウ共鳴は、電子反ニュートリノが電子と衝突してWボソンを生成するという、理論上予測された反応だ。Wボソンは弱い力に関わる粒子である。この現象の観測は、既知の素粒子とその相互作用を記述する理論「標準模型」の予測を検証した。
この成果は、IceCubeが二つの関連する役割を担うことを示している。高エネルギー粒子を生み出す宇宙環境を調べるとともに、人類が建設した加速器では研究しにくいエネルギー領域で、その粒子を使って基礎物理学を検証できる。
ニュートリノ振動の発見で2015年のノーベル物理学賞を共同受賞した東京大学の梶田隆章教授は、ハルツェン氏の受賞を歓迎した。梶田教授はIceCubeについて、宇宙線の起源と加速の仕組みを解明するために長く待ち望まれていた一歩だと評した。
1月に600基超の新検出器を設置
今回の受賞は、千葉大学が装置開発で大きく貢献した直後のものだ。同大が2月13日に発表したアップグレード完了のお知らせによると、設置作業は2026年1月21日に完了した。
約40人の研究者と技術者からなる特別チームが、2025年11月下旬から約2カ月半にわたって作業した。6本の深い穴を掘削し、既存の検出器の中央部に600基を超える新たな光学モジュールを設置した。
新モジュールの約40％は、千葉大学の国際高等研究基幹ハドロン宇宙国際研究センターが10年以上かけて設計・製造したD-Egg検出器だ。ドイツと米国のグループは、もう一つの設計であるmDOMを提供した。
D-Eggには、反対方向を向く感度の高い光センサー2基がガラス製の筐体に収められている。上下から光を捉えることで、その方向と強度の測定に役立つ。筐体は、より細い掘削孔にも収まる設計だ。製造を率いた石原教授も南極での設置チームに加わった。
建設日程は厳しかった。熱水掘削では約60時間かけて掘削・整形し、深さ2600メートルの穴を作った。続いて作業員は、穴が再凍結して通路が塞がる前に、約110基の検出器を接続した状態で30時間以内に降ろさなければならなかった。
千葉大学によると、同大で製造した実証用検出器5基も、IceCube-Gen2の開発に向けて設置された。国内企業や大学院生、若手研究者も検出器の開発・製造に参加し、日本の貢献はデータ解析にとどまらないものとなっている。
低エネルギーニュートリノの観測領域を拡大
今回のアップグレードでは、センサーの配置を密にし、低エネルギーニュートリノが発する弱い光を捉えやすくする。ギガ電子ボルト（GeV）領域を対象とし、周囲の氷を光が進む様子の測定精度も高める。氷の性質をより詳しく把握することで、ニュートリノの到来方向を復元する精度の向上も期待される。
千葉大学によると、アップグレード後の実効検出体積は水約200万トン相当で、約5万トンのスーパーカミオカンデと比べて約40倍となる。ただし体積だけで感度や精度が決まるわけではなく、装置の配置や観測方法も異なる。
検出器を密に配置することで、高エネルギー天文学で知られる施設の観測対象が、別の粒子エネルギー領域にも広がる。千葉大学が研究対象の候補として挙げるのは、大質量星の重力崩壊やブラックホール形成時に放出されるニュートリノだ。すでに観測された現象ではない。
観測開始の見通しは、時期の具体性が変わっている。千葉大学は2月の発表で、氷の再凍結後に通信確認、較正、検出器の精密な位置合わせを行い、2026年夏ごろに観測を始める見通しを示した。
一方、IceCubeが10月に発表したノーベル賞受賞に関する発表では、アップグレードによる最初の科学データは2026年後半に得られる見込みとされている。夏に本格的な科学観測が始まったとは確認していない。
提案中のIceCube-Gen2では、光学検出器群の体積を現行の観測所の8倍に拡大し、さらに高エネルギーのニュートリノを捉える電波検出器も追加する計画だ。まだ提案段階で、発表資料には建設の開始時期や完成時期は示されていない。
受賞につながった主な節目
IceCubeの歴史には、装置の構想、建設、事象の記録、解析結果の発表、論文の公表という複数の段階がある。これらは一つの「発見日」としてまとめられることもある。
- 1988年：ハルツェン氏が南極でニュートリノを検出する構想を初めて発表。
- 2002年：IceCube共同研究が発足。千葉大学が唯一の日本の機関として参加。
- 2004～2011年：建設が始まり、観測所全体の運用が始まる。
- 2011～2013年：最初の主要事象を記録。2012年6月に発表され、2013年に論文を公表。
- 2017～2018年：IC170922Aの検出を受け、ブレーザーTXS 0506+056との関連が明らかになり、成果を公表。
- 2021年：グラショウ共鳴の初検出を発表。
- 2023年：IceCubeが天の川銀河のニュートリノ観測を発表。
- 2026年1月21日：IceCubeアップグレードの設置が完了。
- 2026年10月6日：ハルツェン氏のノーベル物理学賞受賞を発表。
吉田教授によると、共同研究は発足時の5カ国から、現在は14カ国に広がった。千葉大学のプロジェクトページでは、2020年時点で12カ国53機関、約300人の研究者が参加していると記録されている。現在は58機関、約450人に増えている。
IceCubeの主任研究者であるハルツェン氏は、受賞に寄せたコメントで共同研究の成果を強調した。
この素晴らしい共同研究が受けるにふさわしい評価を、ようやく届けることができて、本当にほっとしています
千葉大学にとって次の具体的な節目は、2026年後半に予定されるアップグレード後初の科学データの公開だ。同大の研究者は提案中の大型観測所の準備も進めながら、IceCubeが捉える粒子を生み出す宇宙の加速器を探り続ける。
要点
- フランシス・ハルツェン氏がIceCubeと宇宙ニュートリノの発見により、2026年のノーベル物理学賞を受賞。
- 千葉大学は2002年から参加し、共同研究に加わる唯一の日本の機関となっている。
- 千葉大学は初期の宇宙信号やブレーザーの発生源、グラショウ共鳴の初検出に貢献。
- 当初の観測所は、南極の氷1立方キロメートルに5160基の光学モジュールを設置。
- 新たに設置された600基超のアップグレード検出器の約40％を千葉大学が製造。
- 最新の見通しでは、アップグレードによる初の科学データは2026年後半に得られる予定。IceCube-Gen2は提案段階にある。
