千葉大学ハドロン宇宙国際研究センターのマキシミリアン・マイヤー助教を中心とする研究グループは、南極点に設置された世界最大のニュートリノ観測装置「IceCube（アイスキューブ）」（図1）を用い、約13年にわたる観測データから、超高エネルギー宇宙線に由来するニュートリノの探索を行いました。
宇宙空間には「宇宙線」と呼ばれる極めて高エネルギーの粒子が飛び交っており、中には可視光の1垓倍（10²⁰倍）という驚異的なエネルギーを持つものも存在します。
しかし、その正体や起源、構成要素（陽子か重い原子核か）については、長年にわたり決着がついていませんでした。その手がかりとなるのが、宇宙線が宇宙空間を進む中で生成される素粒子「ニュートリノ」です。ニュートリノは宇宙線の性質や放射源に関する重要な情報を含んでおり、その観測は宇宙線の本質に迫る鍵とされています。
今回の研究により、予測されていたよりも超高エネルギーニュートリノの検出数が著しく少ないことが判明しました。この結果は、超高エネルギー宇宙線の主成分が陽子ではなく、より重い原子核である可能性を強く示すものであり、40年以上続いてきた学術的論争に大きな進展をもたらすものです。
また、2024年にKM3NeT実験が報告した220ペタ電子ボルト（PeV）級のニュートリノ検出に対し、約70倍の感度を持つIceCubeでは同様の事象を確認できず、両者の観測結果には統計的に大きな矛盾があることも明らかとなりました。
本成果は、アメリカ物理学会が発行する学術誌「Physical Review Letters（PRL）」に2025年7月15日付で掲載される予定であり、同誌の「Editors’ Suggestion」にも選ばれ、注目論文として特集されます。
研究のポイント
IceCubeによる約13年分の観測により、10ペタ電子ボルト（PeV）を大きく超える高エネルギーニュートリノは確認されず、100PeV以上のニュートリノの流量は1平方メートルあたり年間0.00006個以下と極めて少ないことが示されました。
もし宇宙線の主成分が陽子であれば、より多くのニュートリノが発生するはずですが、今回の結果は主成分が存在量の少ない重い原子核であることを強く示しています。
また、KM3NeT実験による220PeV級ニュートリノの報告については、IceCubeの約70倍の感度で検出されなかったことから、両者の結果には0.4%（1000回中4回程度）という非常に低い確率でしか整合性がないとされ、大きな矛盾が生じていることが確認されました。
研究の背景
超高エネルギー宇宙線の起源は、活動銀河核やガンマ線バーストといった極限的な宇宙現象にあると考えられています。もしこれらの天体から放出される宇宙線の主成分が陽子であれば、宇宙マイクロ波背景放射との衝突により大量の「宇宙生成ニュートリノ」が生まれると予測されます。
これまでの観測実験（Auger実験やテレスコープアレイ実験）では、宇宙線が大気中で起こす衝突反応モデルに依存するため、組成の推定には大きな不確実性がありました。それに対し、ニュートリノ観測はそうしたモデル依存性が少なく、より直接的な証拠を提供する手段として注目されています。
今回のIceCubeによる観測結果は、超高エネルギー宇宙線の主成分が重い原子核であることを理論的予測と実観測の両面から強く支持するものです。
研究の成果
IceCubeでは、2010年6月から2023年までの約13年間の観測データを用いて、従来の約3倍の感度で超高エネルギーニュートリノの探索が行われました。その結果、最大で約10PeVのニュートリノを同定しましたが、これは「宇宙生成ニュートリノ」としてはエネルギーが低すぎるとされ、100PeVを超えるニュートリノの検出には至りませんでした。
この結果は、これまで想定されていた宇宙生成ニュートリノの量よりも大幅に少ないことを示しており、宇宙線の主成分が陽子ではなく重い原子核であるという解釈と一致します。重い原子核は陽子に比べて生成するニュートリノの数が少なく、またそのエネルギーも低くなるという理論的背景とも整合しています。
この知見は、従来対立していたAuger実験とTA実験の議論に対しても、新たな視点と明確な証拠を与えるものであり、特にAuger実験が支持してきた「原子核主成分説」に強い裏付けを提供します。
今後の展望
本研究により、宇宙線の加速メカニズムや起源天体の性質に関する新たな謎が提示されました。なぜ最も多く存在する陽子ではなく、壊れやすく加速しにくい重い原子核が選ばれているのかは、いまだ解明されていません。宇宙線は静かな環境で生成されているのか、あるいは未知の物理過程が関与しているのか、今後の研究が期待されます。
IceCubeでは次世代計画「IceCube-Gen2」を進行中で、観測感度は従来の8倍に向上する予定です。千葉大学ハドロン宇宙国際研究センターは、この新たな望遠鏡の主要検出器の開発と製造を担っており、観測精度の飛躍的な向上に貢献します。
IceCube-Gen2による高感度・高統計の観測が実現すれば、ニュートリノを起点としたマルチメッセンジャー観測により、宇宙線の起源天体の直接的な特定が可能となり、高エネルギー宇宙の理解が大きく前進すると期待されています。
論文情報
| タイトル | Search for extremely-high-energy neutrinos and first constraints on the ultra-high-energy cosmic-ray proton fraction with IceCube |
|---|---|
| 掲載誌 | Physical Review Letters（2025年7月15日掲載予定） |
| 著者 | IceCube Collaboration |
参考文献
1）Constraints on Ultrahigh-Energy Cosmic-Ray Sources from a Search for Neutrinos above 10 PeV with IceCube
DOI：10.1103/PhysRevLett.117.241101
2）Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT
DOI：10.1038/s41586-024-08543-1
