2019年末、オリオン座の左肩を形成する星、ベテルギウスが目立って暗くなり始め、超新星が迫っているとの憶測が飛び交った。 もし爆発すれば、地球からわずか700光年の距離にあるこの宇宙の隣人は、数週間にわたって昼間に見ることができるだろう。 しかし爆発のエネルギーの99%は光ではなく、他の物質とほとんど相互作用しない幽霊のような粒子であるニュートリノによって運ばれるでしょう。

ベテルギウスがまもなく超新星爆発を起こすとすれば、放出されるニュートリノを検出することは「超新星のコア内部の奥で何が起こっているかについての我々の理解を劇的に深めるでしょう」とフェリマナ大学の理論家サム・マクダーモットは言いました。 とフェルミ研究所の理論家サム・マクダーモットは言いました。そしてそれは、ニュートリノそのものの性質を調べるユニークな機会を提供することになるでしょう。 フェルミ研究所が主催し、2020年代後半に運転を開始する予定の地下深部ニュートリノ実験は、これらの目標を念頭に置いて開発されています。

科学者が超新星から放出されるニュートリノを検出したのは過去に一度だけでした。 SN1987A（中央の明るい星）のとき，検出器はわずか20個ほどのニュートリノ反応を検出しました。 爆発した星は大マゼラン雲にあり，ベテルギウスよりも240倍も地球から遠い。 写真 ESO

DUNEの後置検出器（サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設にある液体アルゴンの巨大タンク）は、宇宙から届くニュートリノと同様にフェルミ研究所から送られたニュートリノが残した信号も拾います。 超新星は全方向に均等にニュートリノを放出するので、DUNEが検出できるニュートリノの数は、超新星と地球との距離の二乗に比例して減少します。 つまり、超新星から1万光年離れたところで発見できるニュートリノの数は、1000光年離れた同じ強さの超新星から検出できる数の100分の1です。

このため、もし超新星が銀河系の真ん中、何万光年離れたところで発生しても、DUNEはおそらく数千個のニュートリノしか検出しないでしょう。 しかしベテルギウスは比較的近くにあるため、科学者たちは、もし赤い超巨星が今後数十年の間に爆発すれば、DUNEは約100万個のニュートリノを検出し、大当たりのデータを提供すると期待しています。

「あなたが森の中にいて、草原があって、ホタルがいて、それが何千匹も出てくる夜の時間を想像してみてください」と、DUNEのデータ選択チームを率いるコロンビア大学の物理学者Georgia Karagiorgi氏は言いました。 「もし私たちが素手でニュートリノの反応を見ることができるとしたら、それはDUNE検出器の中でどのように見えるかということです。 むしろ、ニュートリノがアルゴン原子と反応したときに生成される荷電粒子の軌道を追跡します。 ほとんどの実験では、ニュートリノの反応は、どのニュートリノがいつどのような反応を起こしたかという混乱を避けることができるほど稀なものです。 しかしベテルギウス超新星では、非常に多くのニュートリノが非常に速く到着したため、データ解析において、昆虫で溢れる草原で1匹のホタルを追跡するのと同じような難しさが生じる可能性がありました。 光シグネチャと電荷シグネチャを組み合わせることで、研究者はそれぞれのニュートリノ反応がいつどこで起こったかを区別することができます。

そこから研究者は、入ってくるニュートリノの種類やフレーバー、エネルギーが時間とともにどう変化したかを再構成するでしょう。 その結果得られたパターンは、超新星のダイナミクスの理論モデルと比較することができます。 そしてそれは、まだ知られていないニュートリノの質量に光を当てたり、ニュートリノがお互いにどのように相互作用するかを明らかにすることができます。 DUNEは完成すると、超新星早期警戒システム(SNEWS)に加わり、我々の銀河系で超新星が発生したときに自動的に警報を出すように設計された、世界中のニュートリノ検出器のネットワークになります。 光の粒子が表面に到達するまで吸収され放出され続けるのに対して、ニュートリノは妨げられることなく超新星を通過するので、ニュートリノの爆発は光が到達する何時間も前に地球に到達することになり、それゆえ早期警報が発せられるのです。 毎年何百もの超新星が観測されますが、そのニュートリノが検出されるほど地球に近い最も新しいものは、SNEWSがオンラインになる10年以上前の1987年に起こりました。 DUNEを数十年稼働させれば、超新星を見る確率はかなり高くなり、そこから多くの科学を引き出すことができるだろう」と、SNEWSを調整しDUNEのデータ収集に関わるミネソタ大学ダルースの物理学者アレック・ハビッグ氏は言います。 「

赤い超巨星の巨大な半径を考えると、DUNEは爆発からの光が地球に届く12時間前までにベテルギウスからのニュートリノを検出し、天文学者が望遠鏡をオリオンの肩に向ける時間を十分に与えるだろうとハービグは述べました。 しかし、もし科学者が幸運に恵まれれば、「ベテルギウスの爆発は素晴らしい機会になる」とMcDermott氏は言い、「DUNEはそのための素晴らしい機械になるだろう」と述べました。

フェルミラブの天体物理学研究と深地層のニュートリノ実験は、米国エネルギー省科学局（Office of Science）によって支援されています。 科学局は、物理科学の基礎研究に対するアメリカ最大の支援機関であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに取り組むために活動しています。 詳細は science.energy.gov.

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