KM3NeT：地中海の深海で進む観測プロジェクト

科学が追い続ける深海の謎

マルチPMT光学モジュールを備えたKM3NeT検出器のアーティストイメージ。

地中海の暗い深海には、数百本におよぶ謎めいた垂直ストリングが林立しています。それぞれのストリングには、大型の球形ガラスフレームが数多く取り付けられ、遥か彼方まで広がっています。

この驚くべきインフラは海面下3500 mに構築されており、1立方キロメートルもの海水を観測体積としてカバーしています。こうした取り組みは、ニュートリノの観測を通じて宇宙の始まりを解明するという、同じく極めて壮大な目的によって支えられています。

ニュートリノは、その極めて捉えにくい性質から観測が非常に難しい粒子です。ニュートリノが物質とごく弱く相互作用することは、宇宙の初期において、単純な粒子から現在の複雑な物質へと進化していく過程を理解する上で重要な鍵となります。海底近くのほとんど光が届かない環境でのみ、ニュートリノが水分子と衝突した際に生じる微弱な光を検出器が捉えることができます。

欧州の研究インフラKM3NeTは、海中に次世代のニュートリノ望遠鏡群を展開するプロジェクトです。名称は、1 立方キロメートル規模の検出体積に由来しており、世界各国の研究機関が共同でこのニュートリノ研究を推進しています。その第一の目的は、宇宙における高エネルギーニュートリノ源を発見し、継続的に観測することです。第二の目的は、ニュートリノの質量階層性を解明することにあります。*1

このような素粒子の観測の困難さ、そして極めて過酷な研究環境という巨大な技術的課題に立ち向かうには、非常に高度な技術だけがこの“科学の謎”に光を当てることを可能にします。

巨大規模で挑む科学プロジェクト

KM3NeTにおける試作ランチャー (展開装置)の投入作業。

光電子増倍管 (PMT) ― 製品ラインアップ

KM3NeTは、極めて複雑な海中観測プロジェクトです。この巨大なインフラを構築するには、多岐にわたる技能と高度な専門知識が不可欠であり、さらに適切な技術の選定が成功の鍵となります。なかでも重要なのが、ニュートリノ相互作用を示す微弱な光を検出するための検出器です。この情報は海底から陸上のデータセンターへ送信され、科学解析に使用されます。

この超高速光検出器は光電子増倍管 (Photomultiplier Tubes : PMTs) として知られています。PMTの世界的リーディングメーカーである浜松ホトニクスは、本プロジェクトへの参加を依頼されました。しかし、この挑戦は決して容易なものではありませんでした。

求められたのは、コスト効率が高く、応答時間が短く、広いエネルギー範囲と高いエネルギー分解能、高感度、低ノイズを兼ね備えた検出ソリューションでした。ニュートリノは物質をほとんど相互作用せずに通過するため、検出器の数を増やすほど、ニュートリノ相互作用を捉える確率が高まります。

当初、浜松ホトニクスは大型PMT (同社が世界最大級の20インチPMTを提供していることでも知られる)の採用が適切ではないかと考えました。しかしKM3NeTコラボレーションは、より効率的な設計を提案しました。それが、31個の3インチ PMT を内蔵した大型ガラス球「デジタル光学モジュール (DOM)」という構造です。PMTを小型化し多数搭載することで、製造性が向上するだけでなく、空間分解能もより高くなるという利点があります。とはいえ、この方式の採用には大きなハードルがありました。必要となる3インチPMTの総数は約19万2000本に及んだのです。

浜松ホトニクスが直面した課題は、膨大な数のPMTを、高品質と高い再現性を維持したまま製造するという点にありました。PMTはガラスで構成され、多くの工程が手作業によって行われるため、他の電子部品のように自動化された大量生産ができません。そのため、短期間にこれだけの数を、厳格な品質基準下で製造することは、まさに“巨大規模の挑戦”そのものでした。

新たな時代の幕開け

KM3NeTのデジタル光学モジュール (DOM)

幸いにも浜松ホトニクスは、東京大学のスーパーカミオカンデをはじめとする世界有数のニュートリノ観測プロジェクトで豊富な経験を積んでおり、このKM3NeTでもその実力が活かされました。極めて困難な課題であったにもかかわらず、浜松の挑戦する姿勢は決して揺らぐことはありませんでした。

研究機関からの要求に応えるため、浜松ホトニクスは製造能力を倍増させるという大規模な投資を決断しました。これによりPMTの生産量は大幅に増加し、工場の人員強化に加えて、より複雑な物流ネットワークの導入によって生産管理が行われました。

また浜松ホトニクスの製造技術者たちは、途切れなく継続できる再現性の高い生産体制を確立し、PMTの品質を驚くほど高いレベルで安定化させました。この取り組みは現在も続いており、社内での厳格な試験を組み合わせることで、観測データの精度に直結する光センサーの品質が常に最高レベルに保たれています。これまでに、2000台を超えるDOMに組み込むためのPMTがすでにすべて納入されており、100本以上の検出ストリングを構築できる数に達しています。

2015年12月^*2にこの壮大なプロジェクトが始動して以来、何千もの光センサーアレイが深海で休むことなく稼働し、ニュートリノが生む微弱な光を捉え続けています。しかしKM3NeTはまだ始まったばかりであり、さらなる観測装置の建設が現在も進行中です。これにより収集データ量は増え続け、最終的には北半球最大のニュートリノ検出器となることを目指しています。

「多くの望遠鏡は、空から降り注ぐ光を観測するために上空を向いています。しかしKM3NeTは、ニュートリノを探索するために地球を通して南天方向を見下ろす望遠鏡なのです。」
— Dr. Paschal Coyle 氏（KM3NeT コラボレーション・スポークスパーソン）