「高エネルギーニュートリノの発見」2026年ノーベル物理学賞の凄さを東大院生が解説 過去には日本人が受賞したことも

　宇宙の果てには何があるのでしょうか。もしくは、どのようにしてこの宇宙が誕生したのでしょうか。あるいは、私たちはどこへ向かうのでしょうか？　誰しもが一度は考えたことのある、だけれども根源的とも言えるこの問いに答えるために、宇宙物理学者が取り組んでいるのが「宇宙から降り注ぐメッセージ」を捉え、分析する研究です。 　今年のノーベル物理学賞はベルギー出身のフランシス・ハルツェンへと贈られました。 　その受賞理由は「アイスキューブ・ニュートリノ観測所設立、および天体起源の高エネルギーニュートリノの発見に対して」です。

　宇宙の果てには何があるのでしょうか。もしくは、どのようにしてこの宇宙が誕生したのでしょうか。あるいは、私たちはどこへ向かうのでしょうか？　誰しもが一度は考えたことのある、だけれども根源的とも言えるこの問いに答えるために、宇宙物理学者が取り組んでいるのが「宇宙から降り注ぐメッセージ」を捉え、分析する研究です。 　今年のノーベル物理学賞はベルギー出身のフランシス・ハルツェンへと贈られました。 　その受賞理由は「アイスキューブ・ニュートリノ観測所設立、および天体起源の高エネルギーニュートリノの発見に対して」です。

　彼は、南極大陸にアイスキューブ・ニュートリノ観測所を設立し、宇宙から降り注ぐニュートリノという粒子を観測、分析することで人類の謎に迫りました。 ■2026年ノーベル物理学賞の「ニュートリノ研究」とは？　 　私たち人間も机もスマートフォンも、宇宙でさえも、世の中に存在する物質は素粒子でできています。この素粒子というのは、今現在の物理学の理論で「もうこれ以上分割できないよ」という状態まで分けていったときに、最後に残る粒子のことを表しています。

　どれくらい細かく分割できるのでしょうか？　水を例に見てみましょう。 　水は水素原子2つと酸素原子1つからできていますが、その原子は陽子と中性子と電子からできています。 　ただ、陽子や中性子はさらに小さな粒子に分かれることが知られています。この粒子をクォークと言います。このクォークとペアになるようなレプトンなどの粒子を合わせた以下の表で図に記されている粒子たちが、(現在の物理学理論上で考えられている)素粒子なのです。

　そして、この素粒子の中に含まれるのが「ニュートリノ」という粒子です。 　この粒子は電気を持たずとても小さい粒子であるので、我々の体や地球自体も軽々とすり抜けていきます。だからこそニュートリノを検出するのはとても難しく、一時期は「そんな粒子は存在しないんじゃないか？」と言われていたほどです。 　宇宙からやってくるニュートリノの初観測に成功した人物の一人が日本の小柴昌俊です。カミオカンデという施設で、水を大量にためてニュートリノと水がごく稀に反応する痕跡を見つけ出す実験を行い、宇宙ニュートリノの存在を実証しました。

■今年のノーベル物理学賞を獲得した研究の凄さ 　ハルツェンが成し遂げたのは「とても高いエネルギーを持つニュートリノを観測したこと」でした。高いエネルギーを持つニュートリノは地球の大気圏などでは生成されにくいため、もし大量に観測されれば、それらの大半は宇宙のどこかから飛んできたものに間違いありません。 　なので、高いエネルギーを持つニュートリノを解析すれば、我々から遠く離れた宇宙で何が起きているのかを解明する手がかりにもなるかもしれません。

　しかし、今までの実験では、高いエネルギーを持つニュートリノを見つけることができませんでした。そこで彼は「わざわざ人工的に水をため込む必要がある施設を使うよりも、自然にある氷を利用すれば、より大規模に実験を行えるじゃないか！」と思いつき、南極大陸に実際に施設を作って実験を行い、高エネルギーのニュートリノ探索に乗り出しました。 　当初はAMANDAという観測施設で実験を行っていましたが、いくつかの問題点が見つかり、2009年に運転を終了しました。その経験をもとに作られた新しい施設がアイスキューブ・ニュートリノ観測所でした。この実験施設は地下1450〜2450mの深さに造られ、氷や測定器を大規模化させての再チャレンジとなりました。

　そして2010年から3年間観測所を稼働させ続けて蓄積したデータを解析してみた結果、明らかに高エネルギーのニュートリノが多く検出されることがわかりました。 　緑線は地球の大気圏で生成されるニュートリノの数の理論予測で、白丸が実際に観測されたニュートリノの数です。明らかに高エネルギー領域でのニュートリノの数を大気圏での生成個数で説明できていないことがわかります。 　ということは、高エネルギーニュートリノの大半は宇宙のどこかからやってきたニュートリノに間違いないのです！　

■天体の謎を解き明かす手がかりに 　これらのニュートリノのデータをさらに蓄積や解析することで、「遠く離れた天体の内部で何が起きているのか」や「どうやって天体が形成されたか」などの謎を解明する手がかりになると期待されています。 　その意味で、人類はまた1つ、宇宙を理解するための手段を手に入れたのです。 　宇宙から飛来する様々な「メッセージ」を組み合わせて宇宙の描像を捉える研究や方法を総称してマルチメッセンジャー天文学と呼びます。

　この「メッセージ」として代表的なのは、光(可視光)やガンマ線などの電磁波、重力の変化が波として伝わる現象である重力波、そして今回受賞したニュートリノのような素粒子たちです。 　これら1つひとつの情報だけでは「どんな現象が起きているか」「どんな天体が生まれた/消失したのか」「天体の内部では何が起きているのか」その確固たる証拠とはなりませんが、複数の痕跡を組み合わせることによって確実な宇宙の描像を知ることができるのです。

　まだまだ宇宙には謎がたくさん残っています。そして、今この瞬間にも、宇宙は私たちにメッセージを送り続けています。それらのメッセージを受け取ることで宇宙と対話し、宇宙の謎を明らかにすることが、宇宙物理学者が行っている研究です。 ■実は日本人もニュートリノ研究でノーベル賞を受賞していた 　実は、本年の研究は過去に日本人がノーベル物理学賞を受賞した内容と地続きになっています。 　宇宙ニュートリノの初観測に成功した小柴昌俊はこの功績で2002年に受賞しています。また2015年には、ニュートリノが自分の種類を変えてしまうニュートリノ振動という現象を発見した功績でカナダのアーサー・マクドナルドと日本の梶田隆章が受賞しています。

　小柴および梶田は共に岐阜県神岡町の地下に設立された研究施設であるカミオカンデやスーパーカミオカンデでニュートリノの検出実験を行っており、現在でも同施設ではスーパーカミオカンデ-ガドリニウムプロジェクト (SK-Gd)などを筆頭としてニュートリノを検出するための実験が行われています。 ■詳しい受賞理由とその論文 ①IceCube Collaboration, Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science 342, 1242856 (2013)

　高エネルギーニュートリノを発見したことを報告する一報目の論文。30TeV以上のエネルギーを持つニュートリノを28イベント観測した。 ②IceCube Collaboration, Observation of High-Energy Astrophysical Neutrinos in Three Years of IceCube Data, PRL 113, 101101 (2014) 　2010-2013年までに蓄積したデータを解析した論文。予想されるバックグラウンド(地球の大気で生成されるニュートリノなど)を差し引いて、宇宙からのニュートリノが来ていると結論づけている論文。具体的には「宇宙起源のニュートリノが0である」という仮説を5σ以上で棄却している。

　このPRLの論文と①のScienceの論文が受賞の本質である。 ③IceCube Collaboration, Evidence for a Spectral Break or Curvature in the Spectrum of Astrophysical Neutrinos from 5 TeV to 10 PeV, PRL 136, 121002 (2026) 　ノーベル賞の受賞ライブ配信で引用されていた、イベント数を表す図が掲載されている。IceCube観測所のデータにフィッティングを行った論文。スペクトルを解析した最新の内容を扱っている。