千葉大学とIceCube Collaborationの両者は、世界最大のニュートリノ検出装置「IceCube」が検出した約13年分のデータを用いて、「超高エネルギー宇宙線」に由来するニュートリノを詳しく調査。その量が予想を大幅に下回ることが判明し、同宇宙線の主成分は陽子よりも重い原子核だと示されたことで、40年来の議論に終止符が打たれたと7月11日に共同発表した。
同成果は、千葉大 ハドロン宇宙国際研究センター(ICEHAP)のマキシミリアン・マイヤー助教、米・メリーランド大学のブライアン・クラーク助教らを中心とする国際共同研究チームIceCube Collaborationによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。
宇宙線は、生成場所やエネルギーの規模により、太陽宇宙線、銀河宇宙線、そして超高エネルギー宇宙線の3種類に大別される。中でも、天の川銀河外から到来する超高エネルギー宇宙線は、数が極めて少ないものの、10^20(1垓)eV超という莫大なエネルギーを秘めており、その生成メカニズムは未解明のままだ。
起源候補としては、超大質量ブラックホールの重力エネルギーを運動エネルギーに変換しているとされる活動銀河核や、大質量星の超新星爆発で生じるガンマ線バーストなどが挙げられている。しかし、他の実験でも観測が進められてきたが、その主成分については結論が出ていなかった。
仮に超高エネルギー宇宙線の主成分が陽子だとすると、天の川銀河に飛来する途中で、ビッグバンの名残である「宇宙マイクロ波背景放射」(CMB)と衝突し、極めて高エネルギーの「宇宙生成ニュートリノ」を生成する。もし起源天体の大多数が遠方宇宙に存在するのなら、このニュートリノの生成量は増加するはずだ。
IceCube実験でこのニュートリノを観測し、超高エネルギーニュートリノ存在量の上限値を求めた結果、起源天体は比較的近傍、つまりビッグバン後100億年以上が経過した現在の宇宙に多く存在する可能性が示された。
超高エネルギー宇宙線は、その莫大なエネルギー故、宇宙空間を長距離伝搬できない。つまり、地球に届く宇宙線は、比較的、天の川銀河近傍の天体からのものに限られる。もし起源が遠方宇宙にあれば、その痕跡を宇宙線で捉えることはできず、たとえ観測できてもその情報は近傍宇宙からの宇宙線によるものに限られ、その解釈にバイアスが生じてしまうとする。
直接宇宙線を観測しないニュートリノ観測は、そうした制約がない点が特徴だ。つまり、超高エネルギー宇宙線の起源を探る上で、極めて重要な観測手段となる。ニュートリノは宇宙線の生成過程で生じ、相互作用の理論的不確かさが比較的小さく、電磁場や物質の影響をほぼ受けずに宇宙の最果てから地球まで直進可能であり、観測に敵している。
研究チームは今回、2010年6月から約13年間にわたる観測データを用い、前回発表時の約3倍の感度で超高エネルギー宇宙ニュートリノの探索を行うことにした。
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（波留久泉）
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