素粒子「ニュートリノ」は、従来では取得できなかった高エネルギーの天文現象の情報を持っていると考えられている一方、非常に観測が難しいという課題もあります。
2026年10月6日、スウェーデン王立科学アカデミーは、「IceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献、および天体起源の高エネルギーニュートリノの発見」を理由とし、2026年のノーベル物理学賞をフランシス・ルイ・ハルツェン氏に授与することを決定しました。宇宙分野での受賞は2020年以来6年ぶりのことです。
本記事では、なぜハルツェン氏がノーベル物理学賞となったのか、IceCubeニュートリノ観測所とはなにかを踏まえて解説いたします。
IceCubeが観測するニュートリノとは何か
「ニュートリノ」とは、素粒子の1グループを指す言葉であり、「電子ニュートリノ」「ミューニュートリノ」「タウニュートリノ」の3種類があります。お互いの性質がとても似ているため、まとめてニュートリノと称されます。
ニュートリノに関する研究はノーベル賞の宝庫であり、今回も含めて5つのノーベル物理学賞が贈られています。その大きな理由の1つは、ニュートリノの観測の難しさにあります。
例えば、今この瞬間も、小指の爪ほどの面積を、1秒間に650億個ものニュートリノが通過しています。しかし、それが実感できないように、ニュートリノは物質にほとんど衝突しない性質を持ちます。人体はおろか、地球の裏側から貫通してきたニュートリノや、太陽の中心部から飛んできたニュートリノを観測することすらできます。
もちろん、ニュートリノが物質に全く当たらない性質を持つならば、そもそもニュートリノは検出不可能です。実際にはわずかな確率で原子核に当たる可能性があります。この時、何段階かのプロセスを経て「チェレンコフ光」という特殊な可視光線が放出されます。この光を、「光電子増倍管」と呼ばれる装置で捉えることで、間接的にニュートリノを検知します。
チェレンコフ光を用いて間接的にニュートリノを検出する装置は世界中にいくつかありますが、多くは大量の水を使っています。水を使うのは、価格が安い、化学的に安定している、などの理由もありますが、水は透明であるという理由もあります。チェレンコフ光は極めて弱い光であるため、光をほとんど吸収しない水は、チェレンコフ光の検出に適しています。
例えば、岐阜県飛騨市神岡町にある「スーパーカミオカンデ」は5万トンの超純水タンクを持っています。これほど巨大なのは、それだけニュートリノと原子核との衝突確率が低いことを示しています。
観測困難なニュートリノを観測する理由は？
ではなぜ、ここまでの苦労をかけてニュートリノを観測しようとするのでしょうか？
恒星、超新星爆発、活動銀河核のような激しい天文現象の中では、高エネルギーな物理現象が起きており、それに伴い、高エネルギー粒子線である宇宙線や、ガンマ線のような電磁波が放出されていると考えられています。
しかし、宇宙線は磁場によって移動方向が曲げられてしまう性質があります。このため、地球で観測したとしても、やってきた方向から発生源を特定することができません。ガンマ線はまっすぐやってきますが、天体の周りを覆っている塵の雲などで遮られることがあり、そもそも見えないことがあります。また、宇宙を満たす光（銀河系外背景光や宇宙マイクロ波背景放射など）との相互作用で性質が変化することもあるため、ガンマ線の観測結果を、そのまま放射源の天体の性質へと単純適用できないという問題があります。
この点で、ニュートリノは極めてクリーンな情報源となります。ニュートリノは磁場や塵の雲の影響を受けず、発生源からまっすぐ地球へと届きます。このため、ニュートリノがやってきた方向を、そのまま発生源に対応させることができます。また、ニュートリノは高エネルギーな物理現象で発生する素粒子であるため、激しい天文現象の核となる情報がそのまま含まれていると解釈されます。
観測の難しいニュートリノを観測しようとするのは、宇宙線や電磁波では得ることの出来ない情報を得ようとするからです。このように、複数の観測情報を統合して研究を行うことを「マルチメッセンジャー天文学」と呼びます。これは部分的に成功しており、例えば1987年に観測された超新星「SN 1987A」では、超新星としては初めて電磁波以外の情報であるニュートリノの観測に成功しています。この成果は、レイモンド・デイビス・ジュニア氏、小柴昌俊氏、リカルド・ジャコーニ氏が受賞した2002年のノーベル物理学賞にも繋がっています。
ただし、マルチメッセンジャー天文学で長らく観測目標とされていた、ペタ電子ボルト級（PeV=1000兆電子ボルト）と言われる高エネルギーなニュートリノの観測は、長らく未解決の問題でした。これほどエネルギーの高いニュートリノは、存在する数が稀であるなどの特性があるため、水を使った観測装置の場合、体積が1立方km級になることが1960年より予想されていました。
これは極めて巨大です。現在建設中の「ハイパーカミオカンデ」は26万トンの超純水を貯める巨大水槽の建設を予定しており、それを収める空洞は世界最大級の人工空洞であると評価されています。しかし26万トンの超純水は0.00026立方kmにしかならず、必要な体積の4000分の1ほどしかありません。
このため、人工の水を用意せず、天然にある膨大な水を使おうとするアイデアは古くからありました。その具体的な動きはハワイ沖の水深4800mに、光電子増倍管を数珠つなぎにしたケーブルを設置する「DUMAND」というプロジェクトから始まっています。
ところが、1983年に始動したDUMANDは、1995年には終了しています。技術的な故障の他、天然にある放射性物質や深海生物の発光が大量のノイズになったことが関係しています。
しかし、DUMANDの失敗のノウハウは着実に生かされており、ロシアのバイカル湖で行われた「バイカル深層ニュートリノ望遠鏡」（現在のBaikal-GVD）、地中海で行われた「ANTARES」（現在のKM3NeT）、そして今回取り上げる「IceCubeニュートリノ観測所」に知見が生かされています。
IceCubeはどのように建設開始に至ったか？
IceCubeニュートリノ観測所の建設の背景には、今回ノーベル物理学賞を受賞したフランシス・ルイ・ハルツェン氏の貢献があります。ただしその道は、「当時の私が天然の氷の光学的特性について無知でなかったら、（他の人と同じように）恐らく諦めていただろう」とハルツェン氏自身が振り返るほど、簡単なものではありませんでした。
ハルツェン氏は1960年代に素粒子物理学への道を志しています。当時は原子核を構成する素粒子であるクォークが提唱・実証されたばかりであり、当初はそちらへの興味がありましたが、やがて宇宙線から高エネルギーニュートリノの観測の道へと軸足を移していきました。
1987年の秋、当時は宇宙線の研究をしていたハルツェン氏は、カンザス大学での講演の後、聴衆の1人である雪氷学者のエドワード・ゼラー氏から、旧ソ連の科学者たちが取り組んでいる科学プロジェクトの情報を得ました。このプロジェクトでは、南極の氷とニュートリノとの衝突で生じる電波の受信が試みられていました。
ハルツェン氏は同僚と共にこのアイデアを検討し、観測ノイズが多すぎるために電波は適さないものの、南極の氷という巨大な水の塊を使うアイデア自体は悪くないという結論に達しました。そこで、DUMANDに取り組んでいたジョン・G・ラーネッド氏に連絡を取り、1988年6月には南極の氷をニュートリノ検出器に使うことへの具体的な内容を発表しています。
1991年、グリーンランドの氷床で、既存のボーリング孔を使った試験的な実験を行い、天然の氷がチェレンコフ光を捉えるのに十分透明なことを確かめました。この時に捉えたチェレンコフ光はニュートリノ由来ではないものの、ハルツェン氏のアイデアは実現可能であることがこの時に初めて示されました。この成果をもとに、1993年には前身となるプロジェクト「AMANDA（南極μ粒子・ニュートリノ検出器アレイ）」が南極点にてスタートしました。
南極点が選ばれたのにはいくつか理由があります。まず、既にアムンゼン・スコット基地があり、インフラが十分に整っています。また、南極点付近の氷床は十分な厚さと安定性があり、基部の岩盤も地震活動が少ないという利点があります。そして、氷は十分な深さまで潜れば日光が届かず、深海のように発光生物はおらず、そして放射性物質の濃度が低いという利点もあります。
建設時の難点として、南極点は1年の大半を通じて気候が厳しいことが挙げられます。このため建設は、11月から2月の短い夏の間に行われました。高圧熱水を使って、南極氷床に深さ800mから1000mの穴を開け、光電子増倍管を繋げたケーブルを挿入することで、2000年までに段階的に建設が進められました。
1993年のクリスマス、ハルツェン氏は初のデータを受け取ったものの、それは使い物にならないデータであることが判明しました。1km近く掘ったとしても、氷にはわずか0.05mmの気泡があり、これが光を散乱するため、チェレンコフ光が50cm程度しか進まなかったためです。チェレンコフ光の発生方向を復元するには、複数の光電子増倍管でチェレンコフ光を捉える必要があるため、この移動距離は短すぎます。
しかしここでハルツェン氏は諦めることなく、さらに1500mから2000mまで掘り進めました。結果として、深度1400mより下では、氷は十分透明であり、チェレンコフ光は300mほど進むことが判明しました。
2009年まで稼働したAMANDAは、宇宙線と地球大気とが衝突して生じたニュートリノを検出することに成功し、氷はニュートリノ検出器に使えることが証明されました。しかし、最大の検出目標である高エネルギーニュートリノは、AMANDAのサイズでは検出できません。
IceCubeは何を見つけたか
ハルツェン氏らはAMANDAの成果をもとに、IceCubeニュートリノ観測所の建設に本格的に着手し始めました。IceCubeはNSF（アメリカ国立科学財団）からの資金提供を受け、2004年から建設が開始されています。
IceCubeは、過去のどのニュートリノ観測所と比べても大規模です。氷床に挿入されるケーブルには、検出器が17m間隔で60個付けられています。この検出器は、光電子増倍管と電子機器を内蔵した、直径約30cmのガラスケースです。各検出器は、ケーブルの中を通っている光ファイバーケーブルと接続しており、地上へ信号を送信しています。
合計86本のケーブルの深さは1450mから2450mまで達し、検出器は合計で5160個にもなります。ケーブルは全体として六角形の柱になるように配置されており、氷の体積は1立方kmにも達します。
IceCubeにおける最初の重要な成果は2013年に発表されました。2010年5月から2012年5月までの2年間のデータ収集と分析により、2つのペタ電子ボルト級のニュートリノ（1.04PeVと1.14PeV）が検出されていたことが判明したのです。これは世界初の高エネルギーニュートリノの検出に当たります。
また2014年には、この2回を含め、合計28個の高エネルギーニュートリノが検出されたことが発表されました。根拠となる信号が大気現象由来であることは5.7σの有意性で否定されたことから、これらが宇宙由来であるという確実な証拠となっています。
IceCubeにおける最も重要な成果の1つは、2017年9月22日に検出された高エネルギーニュートリノです。この検出は1分以内に世界中へ通知され、電波からガンマ線までのあらゆる電磁波の波長で観測が行われました。この迅速な観測により、ニュートリノの発生源は、地球から約57億光年離れた活動銀河核「TXS 0506+056」であるとほぼ確定しています。これはマルチメッセンジャー天文学の最たる例であると同時に、地球・太陽・SN 1987Aに次ぐ特定の天体に由来するニュートリノの検出、天の川銀河の外からやってきた史上2番目のニュートリノの検出、そして史上初となる活動銀河核由来のニュートリノの検出と評価されています。
また、2022年の論文では、地球から約4700万光年離れた銀河「M77（NGC 1068）」から飛来した79個のニュートリノの検出が報告されています。先述のTXS 0506+056とは異なり、特別に活動が活発な時期に発生したニュートリノではなく、日常的な活動によって発生したニュートリノを継続的に検出したと考えられています。こちらも、厳密に言えば発見が確定したわけではないものの、ニュートリノの発生源を特定の天体に絞り込めたという点で注目されています。
2026年に公表されたばかりの最新のプレプリントでは、高エネルギーニュートリノの飛来方向は天の川と重なっていることが提唱されています。すなわち、高エネルギーニュートリノの少なくとも一部は、天の川銀河の中に発生源があることが想定されます。ただしこれは、天の川に埋もれて見えなくなっている、はるか遠くの別の銀河が発生源であることを否定するものではありません。
また、IceCubeは天文学だけでなく、素粒子物理学そのものにも貢献しています。ニュートリノは、その移動中に種類が変化する「ニュートリノ振動」が観測されています。この現象の発見自体が、2015年に梶田隆章氏とアーサー・B・マクドナルド氏へのノーベル物理学賞にもなっているほど重要な性質です。
2024年の論文では、IceCubeが7個のタウニュートリノを検出したことを報告しており、その検出数はニュートリノ振動の理論と矛盾しないことが示されました。宇宙由来のタウニュートリノの検出自体が初めてであるという点も評価ポイントですが、高エネルギー領域でもニュートリノ振動は破れていないことを示唆していることが重要です。これは、ニュートリノ振動がニュートリノの状態によらない普遍的な性質であることを示唆しています。
このように、IceCubeニュートリノ観測所は、現在の天文学や物理学において欠かせない存在となっています。現在、IceCubeではアップグレードと拡張工事が行われています。このうちの拡張工事「IceCube-Gen2」では、検出器を埋め込む体積を8倍まで拡大することで、検出感度5倍を目指しています。
「個人のみが受賞できる」の限界を示す成果
ここからは筆者個人の意見です。確かに今回の受賞はフランシス・ハルツェン氏1人に対するものでしたが、授賞理由である「IceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献、および天体起源の高エネルギーニュートリノの発見」を踏まえると、少々異なる面が見えてきます。
IceCubeで研究を行っている国際研究チーム「IceCubeコラボレーション」は、14の国と地域の58機関から450人以上が参加する巨大な組織です。先ほど取り上げたIceCubeの主要な成果は、決して1人2人で達成可能な成果ではありません。IceCubeがマルチメッセンジャー天文学に対して貢献を果たしていることも踏まえれば、その成果はIceCubeに留まるものではないでしょう。
一方でノーベル賞は、現在のところ平和賞以外では団体受賞を認めていません。自然科学系のノーベル賞で、1回に受賞可能なのは最大3人の個人までです。「IceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献」という授賞理由を踏まえれば、明言は避けつつも、ハルツェン氏の受賞は、IceCubeコラボレーションの代表としての受賞と捉えるべきだと捉えるべきではないでしょうか。
今後、高エネルギーな天文現象に対するマルチメッセンジャー天文学は「高エネルギーニュートリノ」「超高エネルギー宇宙線」「ガンマ線」「重力波」の4軸による多角的な分析が欠かせなくなるでしょう。その中には、ノーベル賞級の発見が含まれることもあり、数人の天才によって成果が決定づけられる機会はますます減るかと思います。この状況を100年以上前に想像できなかったことは無理もありませんが、今後はアルフレッド・ノーベルの遺言を厳密に解釈するのはますます難しくなるはずです。
筆者としては、自然科学系のノーベル賞でも団体受賞を認めるべきか、せめて代表受賞であることを授賞理由に明記するべきではないかと提言します。
ひとことコメント
最終章の個人的な意見は、IceCubeに限ったものではないのよね。時代に合わせて変えていく必要があると思うのよ。（筆者）
文／彩恵りり 編集／sorae編集部
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