凹非寺より Jay がお届けします
量子位 | 公式アカウント QbitAI
たった今、ノーベル物理学賞が発表されました。
今回は同時受賞者は一切なく、受賞者はたった一人、アメリカのウィスコンシン大学マディソン校のFrancis Halzen（フランシス・ハルゼン）。
もしあなたがこの大学を知らなくても、中国のテック・インターネット業界の有名な卒業生がいることはご存知でしょう——
拼多多の創業者である、黄崢。
では、Francisは一体なぜ受賞したのでしょうか?
公式はこう述べています：
南極のアイスキューブ（IceCube）ニュートリノ天文台への決定的な貢献、および天体物理学的起源の高エネルギーニュートリノの発見を表彰するものです。
具体的には、彼は南極地下2000メートル以上の深さにある1立方キロメートル純粋な氷の層を、宇宙の幽霊粒子を捕まえる装置へと無理やり改造した超大型望遠鏡。。。
今日、南極洲には彼の名前にちなんで名付けられた高地さえあり、その名はHalzen Mesa。
なぜ南極の深い氷の中で「幽霊」を捉えるのか?
宇宙には物理学界を100年悩ませてきた究極の謎がある。あれほどエネルギーの高い宇宙線は、一体どこから放たれているのか?
宇宙には天然の粒子加速器が存在し、噴き出す陽子のエネルギーは地球上の実験室にある最強の加速器を数百万倍も上回る。しかし陽子は電荷を帯びているため、宇宙を飛び回るうちに星間磁場によって方向をめちゃくちゃに曲げられ、地球に降り注ぐ頃には、どの方角から来たのかを見分ける術はない。
どうすれば本当の情報源を見つけられるのか？
物理学者たちが中微子(ニュートリノ)に注目している。
ニュートリノは宇宙で最も恥ずかしがり屋の粒子で、電荷を持たず、質量はごくわずかです。毎秒650億個太陽からのニュートリノがあなたの親指の爪の上を通り抜けても、あなたはまったく感じることができない。
高エネルギー陽子が加速される場所では、しばしば高エネルギーニュートリノが伴って生じる。ニュートリノは電気を帯びておらず、磁場の干渉を受けず、星間塵にも遮られないため、一本のまっすぐな標的のように、宇宙の奥深くにある発生源を直接指し示す。
でもどうやってそれを捕まえればいいのだろうか？
ニュートリノはたまに原子核と衝突し、帯電した粒子を生み出して非常に微弱な青色の光を放つ。媒質が十分に透明で、体積が十分に大きければ、光センサーでその軌跡を記録することができる。
深海は透明ですが、その中には生き生きと輝く生物発光があり、海流の乱れもあります。Halzenは1980年代に大胆なアイデアを提案しました。南極へ行き、天然の氷層を使おうというのです。
熱水で2.5キロメートルの深い井戸を融かし、1立方キロメートルの氷下の巨大な眼を作り出す
氷天雪地の南極で粒子を捕まえるというのは、突拍子もない話に聞こえる。
南極の奥深くにある氷層は完全に暗闇の中にあり、海洋生物に邪魔されることもなく、地質構造は極めて安定していて、地震の妨害もない。唯一頭を悩ませる問題は、2,000メートル以上の厚さの氷河の中に、どうやってセンサーを押し込むかだ。
研究チームは極めて大胆な方法を考案した——特殊な高温热水ドリルを使って南極の氷に深さ2000メートルを超える深い穴を次々と溶かし、光センサーを多数取り付けたケーブルを氷水の中へ素早く沈めたのだ。
Halzenはこれらのセンサーを逆さの電球と表現した。それらは光を放つのではなく、微弱な光の信号を捉えて電気信号に変換する役割を担っている。
初期の先駆実験AMANDAが始動したばかりの頃、皆の胸には不安があった。浅層の氷は微小な気泡だらけで、光を入れるとたちまち散乱してバラバラになってしまうのだ。
しかし、ドリルが潜降した深さに達すると1400メートルそのとき、奇跡が起こった——高圧によって気泡がすべて押し潰されて押し出され、その下の氷層は驚くほど純粋で透明になった。ニュートリノの衝突で生じた青い光は、氷の中ではさらに遠くまで伝わることさえできる。300メートル遠くで吸収された！
可行性を検証した後、IceCubeは正式に稼働を開始しました。
2011年の完成時には、IceCube全体が南極の氷の下深くに埋設されていました。1450メートルから2450メートルの間で、86本のケーブル、5160個の光学センサーで構成され、まるまる1立方キロメートルの天然の氷河が、前例のないニュートリノ望遠鏡と化した。
宇宙の幽霊を捕らえ、天文学の全く新しい扉を開く
この巨大望遠鏡があっても、深宇宙から届く信号を探すことは依然として大海で針を探すようなものだ。
毎日、南極上空の大気から来る億個を超える宇宙線粒子が検出器を貫通し、さらに地球の反対側の大気から来る数百個のニュートリノが地殻を突き抜けて届きます。
膨大な背景ノイズの中から、本当に遠い宇宙から来た高エネルギーニュートリノをふるい分けるには、データ処理の難易度は恐ろしいほど高い。
2013年、IceCubeチームはついに、太陽系の外から来た高エネルギー宇宙ニュートリノを初めて明確に捕らえたと発表した。この突破口はその年の《Physics World》年間突破大賞を直ちに獲得した。
その後数年のうちに、決定的な証拠が相次いで現れた。
科学者たちは活動銀河NGC 1068（M77）の方向で79個のニュートリノ候補信号を記録し、潜在的な極限天体の起源を特定した。
2023年、IceCubeチームは銀河面の高エネルギーニュートリノの画像を初めて作成し、人類がニュートリノという目を通して銀河系の全貌を初めて見た。
天文学は可視光、電波、X線、重力波を経て、高エネルギーニュートリノ天文学の扉が完全に押し開かれた。
ノーベル賞受賞者その人：ハドロン物理学から氷の下での望遠鏡建設へ
単独でノーベル物理学賞を受賞したこの物理学者Francis Halzenは、今年82歳である。
彼は1944年にベルギーのティーネンに生まれ、1969年にベルギーのルーヴァン大学（KU Leuven）で博士号を取得した。初期には主にクォークで構成される重い粒子やハドロン物理学における対称性の破れを研究していた。
ポスドク研究を終えた後、アメリカのウィスコンシン大学マディソン校に移り、1972年から長く同校で教鞭をとり、物理学部教授を務めている。
彼が他者と共著した古典的教科書《Quarks and Leptons》は、世界中の何世代もの素粒子物理学を学ぶ学生たちの成長に寄り添ってきた。