KM3NeT
KM3NeT LOM（光学モジュール発射機）がRV Pelagia展開船に積み込まれている。LOMには完全な検出ストリングが巻き上げられる。海底に到着後、ストリングは全長まで展開される。
実験室におけるKM3NeTデジタル光モジュール（DOM）

立方キロメートルニュートリノ望遠鏡（KM3NeT ）は、地中海の海底に位置するヨーロッパの研究施設です。水チェレンコフニュートリノ望遠鏡は、遠方の天体物理学的発生源や地球の大気圏から発生するニュートリノを検出・研究するために設計されており、天体物理学と素粒子物理学の両方の知識に大きく貢献しています。[ 1 ]

数千個の光学センサーモジュールからなるアレイは、検出器近傍の水または岩石中のニュートリノの相互作用によって発生する荷電粒子から発生する微弱なチェレンコフ光を深海で検出します。光学モジュールの位置と方向、そして内部の光電子増倍管への光の到達時刻は高精度に記録されます。これらの測定値から、粒子の軌道やエネルギーといった特性が再構成されます。

背景

KM3NeTプロジェクトでは、ヨーロッパ南部沿岸の地中海深海に複数の検出器を建設する予定です。KM3NeT-Fr（フランス、トゥーロン沖）にはORCA（振動研究・宇宙深淵探査）検出器が設置され、KM3NeT-It（イタリア、シチリア島、ポルトパロ・ディ・カーポ・パッセロ沖）にはARCA（天体粒子研究・宇宙深淵探査）検出器が設置されています。両検出器ともデータを収集しています。KM3NeT-Gr（ギリシャ、ペロポネソス半島、ピロス沖）は、次のフェーズでKM3NeT研究インフラを拡張する予定です。KM3NeTプロジェクトは、2008年から2022年までフランス沖で運用されていた ANTARESニュートリノ望遠鏡の研究を引き継ぐものです。

KM3NeTの実施と運用の監督、ガバナンス、管理は、世界21カ国68以上の機関が関与する国際協力によって行われています。KM3NeTコミュニティは、約360人の科学者、エンジニア、技術者で構成されています。[ 2 ]

科学的目標

KM3NeTコラボレーションの主な目的は次のとおりです。[ 3 ]

  1. 宇宙における高エネルギーニュートリノ源の発見と観測。超新星残骸、ガンマ線バースト、超新星、衝突星など、様々な宇宙天体の探査を目的としています。KM3NeTは、これらの源からニュートリノを特定することで、宇宙線の起源や、宇宙で最も極端な現象を引き起こすメカニズムについての知見を提供することを目指しています。
  2. ニュートリノの基本的な性質、特にニュートリノ振動の詳細な研究、特に大気ニュートリノの振動を測定することでニュートリノの質量秩序を決定することを目指します。異なるニュートリノの質量状態を区別する能力は、ニュートリノの性質と素粒子物理学の標準モデルにおけるその役割に関する重要な情報を提供します。

これらの主要な科学的目標に加え、この望遠鏡は宇宙の暗黒物質探査における強力なツールでもあります。さらに、この研究インフラには、海洋生物学、海洋学、地球物理学といった他の科学研究のための機器が設置されており、数キロメートルの深さにおける深海環境と海底の長期的かつリアルタイムなモニタリングに活用されています。

ARCA検出器は、宇宙におけるニュートリノ源を探索する1立方キロメートルサイズの望遠鏡です。ORCA検出器は、ニュートリノの特​​性の測定、ひいては素粒子物理学に関連する問題の調査に最適化されています。

デザイン

フランスとイタリアのインフラは、約20万個の光センサー（光電子増倍管、PMT）で構成されるように設計されており、3つのいわゆるビルディングブロック（KM3NeT/ARCA用に2つ、KM3NeT/ORCA用に1つ）に分散されています。ビルディングブロックは、海底に固定された115本の柔軟な垂直ストリング（検出ユニット（DU））で構成されています。各ストリングは18個の耐圧球状センサーモジュールを支え、各光学モジュールは31個の光電子増倍管で構成されています。このように、各ビルディングブロックは、ニュートリノ相互作用から生じた相対論的粒子が海水中を移動する際に発生するチェレンコフ光を検出するために使用できる光センサーの3次元アレイを構成します。[ 4 ]

ARCA検出器が設置されているKM3NeT-Itサイト（北緯36°16′、東経16°06′ / 北緯36.267度、東経16.100度 / 36.267; 16.100 ）は、深さ3500メートルにあります。 [ 5 ]この検出器は、光学モジュールを広く配置することで、TeV～PeV範囲の高エネルギー宇宙ニュートリノの検出に最適化されています。18個のモジュールは、約700メートルの長さのストリング上にほぼ均等に配置され、約90メートル間隔で配置されています。

ORCA検出器が設置されているKM3NeT-Frサイト（北緯42度48分、東経06度02分）は、水深2450メートルにあります。 [ 6 ]光学モジュールの間隔が狭いため、ORCA検出器はGeV領域のニュートリノ検出に最適化されています。ORCAは、20メートルの三角形のグリッドに115個のストリングを配置し、ストリング内の光学モジュール間の間隔は9メートルです。全体として、アレイの直径は約210メートル、ストリングの長さは200メートルです。 / 北緯42.800度、東経6.033度 / 42.800; 6.033

モジュールの位置と内部の光電子増倍管への光の到達時間は高精度に測定されます。各光学モジュールは直径約44センチメートル（17インチ）で、3インチ光電子増倍管31本と補助電子回路を備え、高帯域幅光ネットワークを介して陸上に接続されています。[ 7 ]海底に設置されたケーブルと接続箱からなる電気光学ネットワークを介して、光学モジュールは陸上の制御ステーションに接続され、電力供給、検出器制御、データ伝送に使用されます。[ 8 ]

光学モジュールを取り付けた紐は深海の流れに沿って移動するため、光学モジュールの位置と向き、ひいては内部の光電子増倍管の位置と向きは、音響システムとコンパスシステムを用いて動的に監視されます。[ 9 ]各光学モジュールでは、制御されたLEDパルサーが時間較正に使用されます。[ 10 ]

各 KM3NeT 設置場所の海岸では、コンピュータ ファームが最初のデータ フィルターを実行し、その後、データを中央の KM3NeT データ センターにストリーミングして、KM3NeT の科学者による保管とさらなる分析を行います。

多くの検出器部品の構築と展開は複数のビデオで説明されています。[ 11 ]

建設履歴

KM3NeTニュートリノ望遠鏡の設計は非常にモジュール化されており、建設は段階的に進められています。2012年、KM3NeT研究施設の実現は、KM3NeT-FrおよびKM3NeT-Itサイトでの海底インフラの建設とともに開始されました。プロトタイプのKM3NeT光学モジュールは、ANTARES望遠鏡の一部として、2013年から2014年にかけて約1年間、正常にデータを取得しました。[ 12 ] KM3NeT-Itサイトでは、プロトタイプストリングが2014年から2015年にかけて、これも約1年間、データを取得しました。[ 13 ]建設の第2フェーズでは、KM3NeT-ItサイトとKM3NeT-FrサイトでそれぞれARCA検出器とORCA検出器が完成します。 2017年から2025年の間にORCAサイトで33本の検出ラインが設置され、ARCAサイトでは51本の検出ラインが設置されたため、2025年末には検出器の10%以上がデータを取得していました。[ 14 ] [ 15 ]

科学的結果

KM3NeT 共同研究チームは、部分的な検出器構成を用いて、査読付き科学雑誌にすでに結果を発表しています。その中には次のようなものがあります。

ORCA検出器の6つのラインのみで、大気振動パラメータはsin 2 (θ 23 ) =と測定されました。0.51+0.04 −0.05、そして∆m 2 31 =2.18+0.25 −0.35× 10 -3 eV 2 { -2.25, -1.76 } × 10 -3 eV 2 68% CL で。[ 16 ]∪{\displaystyle \cup }

2019年から2020年にかけて行われたLIGOとVirgo重力波干渉計の第3回観測において、KM3NeTデータを用いてニュートリノ対応物の探索が行われた。どちらの探索でも、重力波カタログに掲載されている源について有意な超過は得られなかった。それぞれの源について、ニュートリノフラックスと、それぞれのエネルギー範囲におけるニュートリノ放出総エネルギーの上限が設定された。また、連星ブラックホール合体および中性子星-ブラックホール合体のスタッキング解析も行われ、これらのカテゴリーからの特徴的なニュートリノ放出が制限されている。[ 17 ]

ORCAの10ラインとARCAの21ラインが設置され、 2022年10月9日にフェルミ衛星のガンマ線バーストモニターによって検出された異常に明るい過渡現象の追跡調査が行われた。ガンマ線バーストの発生地点と一致するニュートリノ事象の候補は発見されなかった。関連するニュートリノ放出量の上限が示された。[ 18 ]

他にも、目に見えないニュートリノ崩壊、ステライルニュートリノ、非標準ニュートリノ相互作用、暗黒物質の探索、ニュートリノ振動における量子デコヒーレンス、大気ミューオン、拡散ニュートリノフラックス、点状源放射、スターバースト銀河、コア崩壊型超新星、 JUNOやCTAなどの他の実験との組み合わせた分析など、多くの研究が発表されています。[ 19 ]

さらに、詳細なモンテカルロシミュレーションに基づいて、ORCAとARCA用のKM3NeT検出器の見通しが、例えば出版物で発表されています。[ 20 ] [ 21 ] KM3NETの科学技術論文の完全なリストはINSPIRE-HEPで見ることができます。[ 22 ] KM3NeTはオープンアクセス出版に取り組んでいます。

2025年、KM3NeT/ORCA検出器を用いた研究者たちは、ニュートリノ振動を研究することで量子重力の探究を開始しました。この研究は、量子重力の潜在的な効果であるデコヒーレンスの兆候を検出することを目的としていました。しかし、デコヒーレンスの証拠は見つからず、その効果の強さに新たな上限が設定されました。しかし、この研究は、ニュートリノを量子力学と重力の関係を探るツールとして用いることで、量子重力の探究を前進させるのに貢献しました。[ 23 ]

超高エネルギーニュートリノ事象KM3-230213Aの検出

2023年2月13日1時16分47秒（UTC）、KM3NeT-ItサイトのARCA検出器を通過する極めて高エネルギーのミューオンが観測されました。この事象はKM3-230213Aと命名されています。[ 24 ]観測当時、ARCAの21本の検出ラインが稼働していました。ミューオンの軌道は、光学モジュール内の光電子増倍管に記録された最初のヒットの測定時間と位置から再構成されました。[ 25 ]

KM3-230213Aの方向は、地平線から0.6度上方のほぼ水平方向と再構成された。測定されたミューオンのエネルギーは120ペタ電子ボルト（PeV）で、不確かさは+110 PeVから-60 PeVである。[ 25 ]非常に高いエネルギーと地平線に近い方向であることから、このミューオンは検出器近傍でさらに高エネルギーの宇宙ニュートリノとの相互作用によって発生した可能性が最も高い。ARCA検出器でこのようなミューオンを生成するニュートリノのエネルギーは、220 PeV（0.035 J）と推定されている。KM3-230213Aは、これまでに観測された最も高エネルギーのニュートリノ事象である。[ 26 ]

この莫大なエネルギーは、ニュートリノが低エネルギーニュートリノとは異なる宇宙加速器で発生した可能性があること、あるいは超高エネルギー宇宙線と宇宙背景光子の相互作用による宇宙起源ニュートリノの初めての検出である可能性、あるいは原始ブラックホールの蒸発によるニュートリノの初めての検出である可能性を示唆している。 [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

欧州機関との関係

2006年、KM3NeTは欧州研究インフラ戦略フォーラム（ESFRI）のロードマップに含まれ、今後10～20年間の欧州の科学的ニーズに対応するため、KM3NeT研究インフラを優先事項として位置付けています。欧州連合理事会は2019～2026年の支援期間を更新し、例えばKM3NeT研究インフラの完全導入に向けたKM3NeT-INFRADEV2プロジェクト（2023～2025年）の立ち上げが可能となりました。[ 30 ]

KM3NeTは、ホライズン2020やホライズン・ヨーロッパといった欧州研究イノベーションプログラムを通じて、様々な資金援助を受けています。加えて、KM3NeT設置サイトの設置は欧州地域開発基金（ERDF）からの資金援助も受けており、地域レベルにおけるKM3NeTの経済的、社会的、そして地域的な可能性を裏付けています。

KM3NeTは、共同研究のパートナーが主導する多くの欧州プロジェクトに参加しました。KM3NeTは、地球科学および海洋科学研究のための長期アクセスを提供することで、EMSOネットワークに参加しています。KM3NeTはASTERICSプロジェクト[ 31 ]に参加しており、 EOSCの欧州オープンサイエンスイニシアチブおよび関連するESCAPEプロジェクトにも現在も参加しています。 [ 32 ] KM3NeTはまた、REINFORCEプロジェクトを通じて市民科学にも取り組んでいます。[ 33 ]

グローバルニュートリノネットワーク

KM3NeTは、 ANTARES、Baikal、IceCube、P-ONE、RNO-Gとともに、グローバルニュートリノネットワークの一部です。[ 34 ]

参考文献

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