ブラックヒルズの地下1マイルで、科学者たちはニュートリノ粒子を分析するための巨大な検出器を建設している——そしておそらく、存在の答えを見つけるために。
1世紀以上にわたり、サウスダコタ州ブラックヒルズにある鉱山町リードは、金を求める労働者たちを引きつけてきた。今では、その古い鉱山内で建設されている画期的な実験が、より興味深い財宝を探し求める科学者たちを呼び寄せている。それは、宇宙の最も深い謎への答えだ。
深地下ニュートリノ実験（Dune）の建設が、旧ホームステーク鉱山で月曜日に始まる予定です。技術者たちは、地下1マイルの岩盤を爆破して造られた空洞の中で、4基の巨大な検出器の組み立てを開始します。
スイッチが入れられると、ニュートリノと呼ばれる幽霊のような粒子がその中を猛スピードで通過する際に、検出器は静かに火花を発し、ちらつく。いくつかは太陽や遠く離れた超新星から到来し、他のものはイリノイ州シカゴ近郊の政府研究所から800マイル（1,300km）の岩盤を通って送られる強力なビームとして到来する。
ニュートリノを観測することで、全く新しい科学が解明される可能性があり、星の死やブラックホールの誕生といった宇宙の壮大な現象に光を当てることができるかもしれません。科学者たちは、自然界で最も長く続く謎の一つを解き明かすことに特に期待を寄せています。それは、なぜ私たちの周りのすべてが物質でできていて、その「邪悪な双子」である反物質でできていないのか、という謎です。言い換えれば、なぜ私たちが、そしてなぜ何かが、そもそも存在しているのか、ということです。
「これに取り組むのは、とてもわくわくする時期です」と、サセックス大学のDune（デューン）に携わる実験素粒子物理学者のケイト・ショー博士は語った。「ニュートリノはまだ理解できていませんし、新しい物理学への扉を開くかもしれません」
ニュートリノは宇宙で最も豊富な物質粒子であり、宇宙を照らす光の質量を持たない粒子である光子だけがそれを上回っています。ニュートリノは、太陽を動かすような自然の核反応や、放射性崩壊、粒子加速器の中で生成されます。
物理学者の基準から見ても、ニュートリノは変わり者だ。電荷を持たないこの粒子は、他の物質とほとんど相互作用しない。毎秒約1兆個が気づかれることなくあなたの体を通り抜けている。ニュートリノには3種類あり、いずれも極めて小さいが異なる質量を持つ。奇妙なことに、移動する間に一つの種類から別の種類へと変化する。これは振動と呼ばれるプロセスだ。「とても奇妙な振る舞いです」とショーは言う。「私があなたにリンゴを投げたら、それがバナナに変わるようなものです」
鉛はこれらの風変わりな粒子と関わりの歴史がある。1960年代、物理学者のレイ・デイビスは坑道を下って鉱夫たちを追い、ドライクリーニング液を満たした10万ガロンのタンクから検出器を作り上げた。地中深くに遮蔽されたこの検出器は、太陽からのニュートリノが液中の塩素原子に衝突してアルゴンに変える様子を初めて記録した装置となった。
鉱山は2001年に閉鎖され、先見の明による構想のおかげで、専用の地下実験施設であるサンフォード地下研究施設（Surf）へと生まれ変わった。そこにはすでにLux-Zeplin（LZ）実験が置かれており、先月、暗黒物質の初の検出となる可能性のある成果を報告した。
「私たちは地球を採掘することから、科学者が宇宙を探査するのを手助けすることへと歩みを進めてきました」と、何世代にもわたって地元に暮らす家族を持つリードの市政担当者、ロビン・ルセロ氏は語った。「Duneがここで行われていること、そしてLZのような他の実験も擁するSurfがあることを、私たちは非常に誇りに思い、幸運だと感じています。世界トップクラスの科学がもたらされることで、新たな機会、新たな人々、そして地元企業、とりわけ私たちの若者にとって新たな可能性が生まれるのです」
デイビスの装置とは異なり、Dune実験は巨大だ。4,000トン以上の鋼鉄で作られた検出器は最大で5階建ての高さに達し、合計7万トンの液体アルゴンを保持する。この液体アルゴンはマイナス200℃まで冷却されなければならない。検出器の組み立てには3年近くかかるはずだ。そして液体アルゴンを満たすのに、さらに1年かかる。
「これは大規模な土木工学作業です」そして熟練した地元労働力とのパートナーシップだと、英国の科学技術施設評議会のデイヴィッド・ニューボルド教授、そしてDuneの広報担当者は語った。「地下で船を建造するようなものです」。英国は米国主導の実験における最大の国際パートナーであり、中核となる検出器部品、検出器内の事象を再構成するための重要なコンピューティング、そしてイリノイ州の素粒子物理学施設であるFermilabでニュートリノを生成するために必要な黒鉛ターゲットを製造している。
稼働を開始すれば、Duneはフェルミ研究所から地殻とマントルを800マイルにわたって送られてくる強力なニュートリノビームを研究することになる。ほとんどのニュートリノはまっすぐ通り抜けてしまうが、時折1つがアルゴン原子に衝突し、光のきらめきと電荷のパルスを生み出す。これらを分析することで、この謎めいた粒子に関する詳細な情報が明らかになる。
大きな疑問の一つは、さまざまなニュートリノの質量に関するものです。どれが最も軽く、どれが最も重いのでしょうか？その答えは、自然界の根本的に新しい力を明らかにする可能性があります。そして物質対反物質の問題に答えようとする試みの中で、Duneはニュートリノとその反物質の双子である反ニュートリノとの微妙な違いを探します。
Fermilabから送られる粒子ビームにとどまらず、Duneは宇宙から到来するニュートリノも研究し、それらが運んでくる恒星の爆発やブラックホールの形成に関する新たな情報を解明する。
今月初め、ノーベル物理学賞は、南極の1立方キロメートルを使って深宇宙からの高エネルギーニュートリノを検出したベルギーの研究者フランシス・ハルゼン氏に授与された。しかし、検出は物語の終わりには程遠い。「これは本当に黄金時代になるでしょう」とニューボールド氏は語った。「これからもっと多くのことが起こるでしょう」
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