2026年のノーベル物理学賞は、南極のIceCubeニュートリノ観測所への決定的な貢献と、天体起源の高エネルギーニュートリノの発見により、米ウィスコンシン大学マディソン校のFrancis Halzen氏に授与された。IceCubeは、約1km³にも及ぶ南極の氷を巨大な検出媒体として利用し、宇宙から飛来するニュートリノを捉える観測施設である。
その観測の主役は、「光」である。ニュートリノが氷中の物質とごくまれに反応すると、荷電粒子が生成され、青白いチェレンコフ光を放つ。IceCubeでは、氷の深部に設置した多数の光センサーによってこの微弱な光を捉え、到達時刻や光量などから、ニュートリノのエネルギーや飛来方向を再構成する。そして、この南極の氷を利用した巨大なニュートリノ観測装置には、日本の光技術も深く関わっている。
微弱な光を捉える浜松ホトニクスのPMT
IceCubeの光検出を担う中心的なデバイスが、光電子増倍管（PMT）である。千葉大学ハドロン宇宙国際研究センターによれば、従来のIceCube光検出器「DOM」にも浜松ホトニクス製PMTが使われている。さらに、千葉大学がIceCube Upgrade向けに開発した新型光検出器「D-Egg」にも同社製の高性能PMTが採用された。
©ICEHAP
PMTは、入射したわずかな光を光電子へ変換し、それを増倍して電気信号として読み出すデバイスである。極めて微弱なチェレンコフ光を捉えなければならないニュートリノ観測にとって、まさに「目」にあたる。従来のDOMでは下向きに1個のPMTを配置していたが、D-Eggでは直径約20cmのPMTを上下に1個ずつ搭載した。この構造によってさまざまな方向から来る光に対する感度を高め、光子の到来方向をより精度よく測定できるようにした。
小柴昌俊氏のノーベル賞（2002年）につながったカミオカンデ、そして2015年にノーベル賞を受賞した梶田隆章氏が用いたスーパーカミオカンデにも、日本のPMT技術はニュートリノ観測を支えてきた。観測施設や対象とするエネルギー領域は異なるものの、「極めて微弱な光を捉える」技術がニュートリノ天文学を成立させている点は共通している。
光検出器を700気圧から守る岡本硝子
一方、どれほど高性能なPMTがあっても、南極の氷深くに設置できなければ観測は成立しない。そこで重要になるのが、PMTを包む耐圧ガラスである。D-Eggのガラス耐圧容器には、岡本硝子の製品が採用された。IceCube Upgradeでは最大約2,600mまで氷を掘削して検出器を埋設する。D-Eggはこの極限環境で長期間にわたって安定して動作することが求められる。岡本硝子は、同社の高精度成型技術と耐圧・高信頼性ガラス技術が評価され、採用に至ったとしている。
千葉大学によれば、D-Eggのガラスは700気圧以上、深海7,000mの水圧に相当する圧力に耐える設計となっている。しかも役割はPMTを圧力から守るだけではない。外からやってくる微弱なチェレンコフ光を内部のPMTまで届ける「光学窓」でもあるため、光の透過性能も必要となる。「光を通すこと」と「巨大な圧力に耐えること」。D-Eggのガラスには、この二つを両立する性能が求められている。
「検出」と「保護」が一体となった日本発のD-Egg
D-Eggは、千葉大学が10年以上にわたり研究開発から製作までを主導してきた光検出器である。2026年2月にはIceCube Upgradeの建設が完了し、南極の氷中に600台を超える新型高感度光検出器が設置された。このうち約4割をD-Eggが占める。千葉大学は、日本国内の複数企業と学生・若手研究者が連携して開発・製作を進めてきたとしている。
D-Eggは、浜松ホトニクスのPMTが「光を捉え」、岡本硝子の耐圧ガラスがそれを極限環境から「守る」。そこに光をPMTへ導く材料や読み出し回路、較正用LEDなどが組み合わされ、一つの光検出器を構成している。今回のノーベル賞は、Halzen氏が構想し実現へ導いたIceCubeと、高エネルギー宇宙ニュートリノの発見に対して贈られたものであり、D-Eggによるアップグレードそのものが受賞対象となったわけではない。
しかし、IceCubeによって開かれた高エネルギーニュートリノ天文学は、いまも進化を続けている。「ほとんど見えない粒子」を捉えるため、わずかな光を検出する。そして、その光を捉えるセンサーを過酷な南極の氷の中で守る。
ノーベル賞で脚光を浴びた巨大科学プロジェクトの次のステージを、こうした日本の光・材料技術が支えているのは感慨深い。
