14年の観測で、スーパーカミオカンデが史上すべての超新星のささやきを捉える
注目画像: スーパーカミオカンデ検出器内部。5万トンの超純水と光電子増倍管が並ぶ。提供: 神岡観測所、ICRR、東京大学
日本の山の地下深くで、5万トンの超純水を満たしたタンクが、これまでに人間の作った装置が捉えたことのないものを検出した。それは、過去130億年に超新星爆発で死んだすべての大質量星の集合的なささやきである。
スーパーカミオカンデ実験は、神岡観測所の地下1000メートルに設置され、14年間の観測データを分析した結果、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の最初の信号と思われるものを特定した。この結果は6月25日、アーバインのカリフォルニア大学で開催されたNeutrino 2026会議で発表された。
ニュートリノは宇宙で2番目に豊富な粒子だが、通常の物質とはほとんど相互作用しない。電荷がなく、質量がほぼゼロのこれらの「幽霊粒子」は、光速に近い速度で空間を飛び交い、毎秒約100兆個が人間の体を通過している。平均的な寿命の間に、物質と相互作用するニュートリノは約1個だけである。
10億年にわたる星の死
超新星爆発は、太陽よりはるかに大質量の星が核燃料を使い果たし、中心核が突然崩壊して衝撃波が外層を引き裂くときに発生する。それぞれの爆発は銀河全体を一時的に凌ぐ明るさになり、中性子星またはブラックホールを残す。重要なのは、これらの現象が爆発エネルギーの大部分を運び去るニュートリノの奔流も放出することである。
DSNBは、最初の星が形成されて以来、観測可能な宇宙で発生したすべての超新星爆発からの累積ニュートリノ流である。超新星は宇宙のどこかで毎秒数回発生しているため、背景は連続的である。しかし、それは非常に微弱であり、研究者が叫びではなくささやきと呼ぶ理由である。
「拡散超新星ニュートリノ背景は、スーパーカミオカンデプロジェクトの開始以来、長年の目標でした」と東京大学の関谷洋之氏は述べた。「世界初の兆候を観測できたことは、深く意義深い成果です。」
検出はチェレンコフ放射によって機能する。ニュートリノが水分子と相互作用すると、微弱な青い閃光が発生し、タンクの1万3000個の光電子増倍管がそれを記録する。14年間で、チームはこれらの事象を十分に蓄積し、DSNB信号を背景ノイズから統計的に分離した。
ささやきが教えてくれること
この検出により、研究者は宇宙時間を通じた星の死の統合的な歴史を研究できるようになった。DSNBは、超新星の発生率、それを生み出す星の種類、発生する環境に関する情報を運んでいる。また、水素とヘリウムより重い元素、すなわち恒星爆発で鍛えられ銀河全体に散らばった金属が、宇宙をどのように豊かにしたかを科学者が理解するのにも役立つ。
現在の信号はまだ統計的有意性の境界にあり、チームは完全な確認にはさらなるデータが必要だと警告している。今後の研究では、スーパーカミオカンデの継続的な観測と、現在日本で建設中のはるかに大型の検出器である後継機ハイパーカミオカンデを組み合わせる予定である。
「スーパーカミオカンデは後継機のハイパーカミオカンデとともにデータ収集を継続し、将来の共同研究で感度をさらに向上させます」と東北大学の芦田洋輔氏は述べた。
今のところ、人類は130億年にわたる星の暴動の幽霊のような背景音を聞いた。それは物理学が予測したとおりに、かすかなものだった。
雅子 訳