ハドロン宇宙国 際 研 究センター アイス ハップ ニュース

D-Egg320台完成記念特別号
千葉大学で開発されたIceCube実験の新型光検出器

International Centerfor Hadron Astrophysics

12

Mar. 2023 no.

「D-Egg」320台がついに完成しました。全ての検出器は、現在研究室で行われている最終動作試験を経て、2025年に南極点の氷河下へ埋設される予定です。表紙のイラストの様子が現実になるまで、あともう一息です！

Illustration by Shinichiro KinoshitaReport now 1
ニュートリノ天 文学部門

新型光検出器開発

国際研究基幹・ハドロン宇宙国際研究センター

ことはじめ

石原 安野

感度を持つ検出器デザインにたどり着き、帰りの飛行機の次はどんな研究をしようか中で、「まずはプロトタイプを作ってみようと」心は固まって

IceCubeを超える次世代ニュートリノ望遠鏡を作ろう！

いました。という声が高まりだしたのは、2013年のことです。2004
年12月から始まり約７年に渡り続いた IceCube 検出器の建設も、2010年12月に最後の光検出器モジュール＊1（DOM）の埋設が終了し、2011年５月から、稼働可能な全てのDOM5397個でのフル観測が始まりました。私は2006年から部分的に完成したIceCubeからのデータ解析をスタートさせ、2012年6月8日、京都で行われた国際会議 Neutrino2012で世界初となる1PeV を超えるエネルギーを持つ宇宙ニュートリノの観測を報告しました。しかし、Physical Review Letters 誌から論文が出版されたのは、その1年後の2013年7月。現在でも一筋縄ではいかない論文発表ですが（今回投稿したD-Eggの論文もレビューに1年以上かかっています…）、宇宙ニュートリノ初検出の論文には、言うまでもなく多くの意見や議論が巻き起こり、まとめるのに時間がかかりました。しかし、

図1: (左)筒状ガラスの上下に上向きと下向きのPMTを容れこむことでより細くすることを可能にした初期のデザイン。結局このようなデザインでは製作が難しいことがわかる。(右)実際に製造されたD-Egg

出会いIceCube 検出器で宇宙ニュートリノを見るという今となれ

IceCube 実験に参加をした2005年から毎日のようにば当たり前のことも、実際に観測してみるまでは本当にでデータを眺めては、IceCubeのDOMについて考えていたきるの？ という懐疑的な空気が漂っていました。そんな中、ので、「こういう検出器があるといいな」というアイデアは出版に向けた議論を通じてその空気がポジティブなものすぐに湧いてきました。しかし、南極の氷河に埋設するとに変わっていく様子は、まさに新しい分野が始まりつつあいう特殊性から、それが実現可能なのかどうかがはっきりるときの熱波が IceCube 実験メンバー内にじわじわと広しません。そのような思いでいた帰国後の2013年11月、がっていくようで、嬉しくもあったのです。

どうしたら現実的に検出器開発を進められるだろうかと論文出版後初めての共同研究者会議が2013年10月に、考えていた丁度その頃、中小企業が力を合わせて作った深ミュンヘンであり、そこで「IceCubeで使われている光検＊2
海用カメラ「江戸っ子1号」

出器 DOMを次世代実験に向けて改造しよう」という内容が深海8000mでの動画撮の発表がありました。実はその発表に触発されたのです。

影に成功という記事を見か10年以上かけて準備をしてきたIceCubeの建設が終わり、けたのです。そのカメラは本格的な成果や解析手法の開発もまだまだこれからとい

IceCube 実験が南極点氷

うこの時期、すでに『新しい望遠鏡のデザインを考えてい河中で使っているものとよくる！』というのは驚きでもあり、これでひと仕事終わったと似たガラス球の中に入って思ったら大間違いだぞといわれているようで、大いに刺激いました。半信半疑ながらを受けました。そこから、自分ならどういうデザインにした

IceCube 向け耐圧ガラスいかという半分妄想に取りつかれ、共同研究者会議の間中、製造の可能性について問い

そして、帰りの飛行機の中でと考え続け、筒の両端に半球を2つ取り付けた細長いガラス球の中に、上向きと下向きのPMT を2つ入れることで、全方向からの光に対し同等の＊1 光検出器モジュール（DOM): 南極点氷河下で稼働している IceCube の初代光検出器。球状で、下向きに PMT １つが搭載されている。

提供：JAMSTEC
図2 :２０１３年に出会った、深海用カメラ『江戸っ子１号』＊2 江戸っ子1号 : 2013年に東京都・千葉県の中小企業6社と支援団体からなる「江戸っ子1号プロジェクト」により開発された日本の深海用小型フリーフォール型無人探査機。

合わせたところ、可能性はあるという回答を得ました。
その岡本硝子＊3とはその後、＊3 岡本硝子 :千葉県柏市に所在するガラス製造会社。江戸っ子1号の開発から販売までを手掛けている。

ニュートリノ検出器に必要な耐圧ガラス球の紫外光透過性

2014年3月にカナダのバンフであり、そこで私は３つの発の向上やノイズ源となる放射性物質の低減など、多くの重表をしました。1つはコンビナーを務めていた物理ワーキ要な改善に成功しました。一方、耐圧性能計算など、南極ンググループの拡散ニュートリノ流量解析の総括と今後点の氷河の中で壊れず稼働できるデザインであるのかのの計画について。2つ目は、開発してきた EHE 解析＊5の判断はさらなる専門の知識がないと難しい。そこで、出会手法を改造し、南極点で宇宙ニュートリノをすぐに識別しったのが海底地震計などを設計製作している日本海洋事速報を送るシステムの最初の感度見積もり。このテーマ＊4はその後2人のポスドクに引き継がれ2016年から南極最初に描いていた耐圧ガラスハウジングのデザインは、点で稼働、2017年に論文になり、2018年のブレーザ業 です。
図１左のような筒状部分と半球2つという３つの部品に分ーニュートリノ放射天体の同定につながりました。そして、かれているものでした。しかし、このような細長い筒を高3つ目がまだD-Eggと名前がつく前の新型光検出器デザ

い精度を保ちながら大量生産することは難しく、また、力インについての報告です。本当にできるの？ と当時思わ学的シミュレーションの結果、極点と赤道に大きな応力差れていたとしても、まずはポジティブに受け止められ、たがあり機械的強度が不十分であることが判明。そこで、ラくさんの研究者の協力を得ることで5年後の2019年のグビーボールのように赤道方向に膨らませ、球面は内蔵す

２月には最終デザイン評価に合格、IceCube Upgrade

る2つのPMTの光電面の形状に合わせることで光電面に計画に向けた正式製造が始まりました。

近い部分のガラスは薄くし、紫外線透過率を上げる。一方、開発を通して感じたのは、研究のタネはどこに転がって赤道領域での応力に対応するため、この領域ではガラスのいるかわからないので、気が付いたらいつでも拾って大事厚さを増やすという現在のデザイン（図1右）にたどり着きに抱えておくことの重要性。D-EggもEHE 速報も、全くました。

異なるデータ解析をしている時に、検出器ほしいな、この手法は他にも使えそうだなと思っていたことがタネにな

アイデアのタネっています。そして、そのタネは、点が線になり面になり新しい検出器を考え始めた2013年10月、江戸っ子1号

広がるタイミングで、あれよあれよという間に、大きくなるの成果により、深海で活躍する日本企業を知る11月、打ちこともあります。今回の研究のタネは、江戸っ子1号の合わせが始まる2014年の1、2月。とんとん拍子に「こん記事で線となり、企業との出会いで面となり、初期デザイなのができたらいいな～」から「具体的に作るにはどう進ンが一気に進展しました。頭の片隅のアイデアのタネ、今めよう」に進んでいきました。

これはちょっと無理そう、と思っていても、つぶさないようミュンヘンの次の共同研究者会議はその５か月後、にそうっと抱えていることが実りにつながっているのかもしれません。

Column

南極点の氷河中で受ける圧力

アイスキューブの将来計画では、検出器を2700ｍの深さにまで埋 設します。それでは、 氷 河 中2700ｍの深さにある検出器にはどのくらいの圧力がかかるのでしょうか？ 南 極 点ではお湯を強く噴 出することで穴を掘ります。 ですので、 掘り終わった直 後の穴は水で満たされており、その中に検出器を沈めていくと、深さ相当の水圧がかかります。 深さ2700mでは約270気圧です。それだけではありません。 穴の中の水は時間が経つと再び凍り付きます。 南極点の平均気温は真夏で、約 -40℃。 一方、氷河の中は地熱により深くなるほど温度が上がっていき、2700m の深さで約 -10℃になります。 放っておくと穴の中の水は上からだんだん凍り付き、検出器近くの水が凍る数日間、検出器にかかる圧力は最大で500気圧を超えます。このため南極氷河の光検出器は深海7000m 相当の耐圧性能が求めら
図3 : 2012年3月に、カナダのバンフでの共同研究者会議にて3つの発表をした（会議のプログラムを抜粋）。

＊4 日本海洋事業 : 海洋研究開発機構が利用する船舶の運航や観測機器の管理を専門とする会社。D-Egg 光検出器の組立作業は、その福浦整備場内で行われた。

れるのです。

＊ 5 EHE 解 析 : Extremely High Energy（超高エネルギー )を持つ宇宙ニュートリノに特化して行われる解析。

Report now 2
ニュートリノ天 文学部門

Story of Frozen Eggs ～ 凍った卵の物語 ～ハドロン宇宙国際研究センター

特任研究員

Colton Hill コルトン・ヒル
訳：清水 信宏（理学研究院・助教）

この検査を私たちは、Final Acceptance Test（FAT）

自分たちの手で組み立てたD-Eggと呼んでいます。そこでは、南極の環境を模した状況で試IceCube 実験の更なる可能性を拓く切り札の一つとし験することが求められます。-40℃の温度に保った冷凍て、千葉大学ハドロン宇宙国際研究センター（ICEHAP）庫の中で数週間もの間、キャリブレーション＊3を行います。

では、D -Egg という光検出器の開発を主導してきました。

ハードウェアの健全性だけでなく、物理解析に求められる

ディーエッグ＊1

この D-Egg は光センサである光電子増倍管（PMT） を要求性能を満たしているかも同時に調べられ、南極に送っ2台搭載しています。私が ICEHAP に博士研究員としててよいかを判断するのです。

着任した2019年の時点では、数個のモックアップ（模型）が存在しただけで、作動するものはまだ作られていませんでした。それから4年後の今、300台以上のD-Eggが完成し、南極への出荷が認められようとしています。

図2 : -40℃の温度を保った冷凍庫。
内部にはD-Eggを入れる箱が設置してある。

研究においてはよくあることですが、特殊な課題には、それに特化した解決方法が要求されます。FAT では、
図1: D - E g g の内 部
（千葉 市 科 学 館 の展 示より）。

D-Eggを超低温＆暗室という特別な状況下で試験を行うことでした。ハードウェアとソフトウェアにまたがるこの物の仕組みを理解するための最もよい方法の一つは、システム構築は、白紙からはじめ、結果的に3年の月日をそれを自分で創りあげることです。私の場合、それは要するものとなりました。その間私たちは、4万行にも及D-Egg の動作試験のためのソフトウェアを書くこと、そぶソースコードを書き上げ、何百ものキャリブレーションをして何より、実際に自分の手で検出器を組み立てることで行いました。実効日数120日以上のデータ取得を行い、した。例えば、D-Eggのガラス容器の洗浄や、シリコーンそのデータ量は数テラバイトを超えました。そして今もなお、のゲルをガラスに注いだり、ケーブルを繋ぐなど地道な増え続けています。D-Egg が南極の氷河に埋められた時、作業も含まれます。なかでも最も困難を極めたのは、PMT

私の貢献が意義あるものとなり、エキサイティングな大発とガラス容器を「接着」するためのシリコーンゲルを、如見（ニュートリノか、あるいは何か別のもの！？）につながる何にコントロールするかという課題でした。硬化したシリことを願って止みません。

コーンゲルが泡や空隙を含んでしまう問題が生じ、その解

このプロジェクトは常に挑戦の連続で、やりがいのある決に、膨大な議論や実験を必要としたのです。最終的には、ものでしたが、D-Egg がニュートリノの持つ性質や宇宙安定した製造ができるようになっただけでなく、この過程線の加速機構への洞察を与え続けるものであってほしいとで多くの教訓を得ることができました。

思っています。IceCubeのような実験は、多くの人に支えられています。
「巨大な」科学には、「巨大」な協力体制で南極へ送り出すまえに挑む必要があるからです。異なった個性が混ざり合い、生産が軌道に乗り始めたころ、D-Eggの品質検査の計多種多様な価値を与えあうことで新しい発見へとつながる画が始動しました。D-Eggは、南極への長い（そして永遠のです。切磋琢磨しあえる仲間がいたからこそ、D-Eggは＊2の ）旅路につく前に、別個に検査を行う必要があります。
＊1 光電子増倍管（PMT）：浜松ホトニクス製。微弱なチェレンコフ光を検出し、増幅した電流に変換する。

実現できたと思っています。

＊2 永遠の（旅路）：D-Egg が南極点の氷河内に埋設されると、問題が発生しても2度と取り出すことができない。そのため、出荷前に入念な最終確認が行われる。

＊3 キャリブレーション：正しい値を計測できるように計測器が示す値を補正する作業のこと。較正ともいう。

What's Newセンター長の研究のはなし

最 近 の主な論文
本センターのメンバーが発表した主要な論文です
・IceCube Collaboration: A. Ishihara, C.Hill, K. Kin, L. Lu,
K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.; Evidence
for Neutrino Emission from the Nearby Active Galaxy NGC1068, Science 378, 538-543, DOI: 10.1126/science.
abg3395 (2022)
・S.Yoshida, K.Murase, M.Tanaka, N.Shimizu, andA.Ishihara; Identifying High-energy Neutrino Transients byNeutrino Multiplet-triggered Follow-ups, The AstrophysicalJournal, Volume 937, Number2, DOI: 10.3847/15384357/ac8dfd (2022)・IceCube Collaboration: A. Ishihara, C.Hill, K. Kin, L. Lu,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, N. Shimizu, S. Yoshida, etal. ; IceCube-Gen2: The Window to the Extreme Universe,
Journal of Physics G48, 060501, DOI 10.1088/13616471/abbd48 (2021)
・IceCube Collaboration: A. Ishihara, C.Hill, K. Kin, L. Lu,K. Mase, M. Meier, R. Nagai, S. Yoshida, et al.; Detectionof a Particle Shower at the Glashow Resonance with
IceCube, Nature 591, 220-224, DOI: 10.1038/s41586021-03256-1 (2021)
・Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto,Shuichi Matsukiyo, and Masahiro Hoshino; Particle
Acceleration by Pickup Process Upstream of RelativisticShocks,The Astrophysical Journal, 924, 108, DOI:
10.3847/1538-4357/ac38aa (2022)
・H. Hotta, K. Kusano, R. Shimada, Generation mechanismof solar-like differential rotation in high-resolution
simulations; The Astrophysical Journal, 933, 199, DOI:
10.3847/1538-4357/ac7395 (2022)
・Han Aung, Daisuke Nagai, Anatoly Klypin, Peter Behroozi,
Mohamed H. Abdullah, Tomoaki Ishiyama, Francisco
Prada, Enrique Perez, Javier Lopez Cacheiro, JoseRuedas; The Uchuu-Universe Machine dataset: Galaxies
in and around Clusters, Monthly Notices of the Royal
Astronomical Society, 519, Issue 2,1648-1656, DOI:
10.1093/mnras/stac3514 (2023)
・Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Artem Bohdan,
Oleh Kobzar, Shuichi Matsukiyo, Mitsuo Oka, Jacek

２番めとなる高エネルギーニュートリノ放射天体発見される - NGC 1068
ハドロン宇宙国際研究センターセンター長・教授 吉田 滋

IceCube Collaboration は、建設を完了しフル観測を開始した2011年からの9年間のデータを解析し、セイファー
トII 型銀河である NGC 1068がニュートリノ放射天体であることを突き止めました。統計的有意性は4.2シグマです。
2022年11月に、サイエンス誌に論文を発表しました。これはブレーザー銀河である TXS0506+056 についで2番目となる銀河系外ニュートリノ放射天体の同定です。しかし両天体からの放射の様相はかなり違います。
NGC 1068 からのニュートリノ放射は1.5TeVから15TeVの領域に分布する非熱的なエネルギースペクトルです。TeV がメインの放射です。また、ニュートリノ放射は定常的に放射されています。それに対して、TXS 0506+056は 100TeVから１PeVの、より超高エネルギー帯での放射です。また数ヶ月程度の時間的スケールで変動する放射である兆候もあります。こうしたことから、放射機構、あるいはニュートリノ生成環境はかなり異なると考えられます。NGC 1068 は GeVTeVエネルギーのガンマ線では極めて暗く、電磁波信号が抜け出せないような、銀河中心部の超大型ブラックホール近傍で宇宙線加速とそれに伴うニュートリノ放射が起きていることを示唆しています。電磁波では探査が難しい領域を観測できるというニュートリノ天文学の特徴が活きた成果と言えるでしょう。
余談ですが、論文に掲載されたエネルギースペクトルデー
タの図に合わせて描かれた理論予想は、全て日本の研究者によるものです( 大阪大学の井上芳幸さん達のチームとペンシルベニア州立大学の村瀬孔大さんたちのチーム )。実験研
究だけでなく理論研究においても日本の寄与が大きいことは誇って良いと思います。
論文情報：
IceCube Collaboration, Science 378, 583-584, DOI:10.1126/science.
abg3395 (2022)

Niemiec, Martin Pohl, Masahiro Hoshino; Nonthermal
electron acceleration at collisionless quasi-perpendicular
shocks, Reviews of Modern Plasma Physics, Volume 6,
id.29, DOI:10.1007/s41614-022-00093-1 (2022)
・Tomoyuki Hanawa , Nami Sakai , Satoshi Yamamoto;
Cloudlet Capture Model for Asymmetric Molecular Emission
Lines Observed in TMC1A with ALMA, The AstrophysicalJournal, 932, 122, 14pp,DOI:10.3847/1538-4357/
ac6e6a (2022)
2011年から2020年までの3186日間の観測データを用いた北天からのTeV エネルギ
ーニュートリノのスカイマップ。大気ニュートリノ雑音からの超過(local p-value)を色で示している。NGC 1068 が最も有意な超過を示している。ついで有意なのは、PKS1424+240 と TXS 0506+056 であり、どちらもブレーザー銀河である。

Information01

千葉 市科 学 館にアイスキューブ 実 験の常設 展示がオープン

最近の D-Egg 関連
Colton特任研究員のReportNow
２にもありましたが、現在FATというD-Eggの最終動作確認試験が行われています。

2022年9月17日、千葉市科学館にて IceCube 実験の常設展示がついにオープンしました。お話をいただいた2019
年から、千葉市教育員会と（株）乃村工藝社の方々とコロナ
禍の中たくさんの打ち合わせを重ね、とても素敵な展示が完成しました。南極点の氷河下に埋まる検出器をイメージしたライティングや、研究についての映像、放射線が目に見える霧箱など、楽しい展示で最新のニュートリノ研究を紹介しています。ぜひ、お立ち寄りください。
千葉市科学館
千葉県千葉市中央区中央4丁目5-1

複合施設きぼーる

7～10F

冷凍庫内で作業するメンバーたち

数週間ごとに、約15個のD-Eggを大型冷凍庫内の箱に入れ替えます。研究室のメンバーだけでは人手が足りないので、IceCubeグ
ループの他研究機関の大学院生などに手 伝いに来てもらっています。これまで 何人もの助っ人が交代で来てくれていて、その度に研究室もにぎやかになります。

02 AAPPS-DPP2022
国際会議開催2022年10月9日～ 14日に、国際会議「AAPPS-DPP2022, 6thAsia Pacific Conference on Plasma Physics」が開催されました。プラズマ宇宙研究部門の松元亮治教授と松本洋介准教授が、会議運営を担いました。

03 NEW MEMBERS!
岩切 渉 Wataru Iwakiri

野 田 浩司 Koji Noda

2022年11月より、国際高等研究基幹兼任の助教として着任いたしました。専門は X 線天文学で、人工衛星や国際宇宙ステーションに搭載する検出器の開発、運用、天体のデータ解析を行なってきました。ニュートリノとあまり関連の無い人生を送ってきましたが、2017年当時、TXS 0506+056のマルチメッセンジャー観測の結果をとても楽しそうだなぁと横から眺めていたので、今回 ICEHAP の一員となれてうれしいです。これまでの経験を活かし、マルチメッセンジャー天文学の推進に貢献していきたいと思います。

アンナ・ポールマン

2023年1月に国 際 高 等 研 究 基
幹兼任の准教授として着任しました。地上の大気チェレンコフ望遠鏡を使ったガンマ線天文観測を10年ほど行っており、2019年にはこのエネルギー帯でのガンマ線バースト（GRB）の検出に貢献しました。千葉大では IceCube の高エネルギーニュートリノの情報を組み合わせることで突発天体の理解を深め、マルチメッセンジャー天文学を推進したいと思っています。実は博士論文はチェレンコフ望遠鏡を使った GRB からのニュートリノ放射への制限でしたので、なんだかんだで古巣に戻ったような感覚があります。よろしくお願いします。

Anna Pollmann

Hi, I am Anna Pollmann and I
have joined the ICEHAP groupin mid 2 0 2 2. Eve r sin c e I
started in research, my aim
has been to work bothin particle physics andastrophysics. When I learned
about the unresolved questions in the Standard
Model, I got intrigued to work on them. So, inmy PhD thesis at the University of Wuppertal
in Germany, I searched for new physics, i.e.

今思うと、初代助っ人はポスドクの芦田さん（アメリカ）

助っ人第2号の Johannes は、ドイツから助っ人第3号はアメリカから来た Ben

magnetic monopoles, in the data recorded by
the IceCube detector. Afterwards I worked on
the development on new sensors for IceCube
as well as the measurement of light emission
characteristics in ice in order to improve thesensitivity of IceCube for new physics.
At Chiba U, I will continue my search for elusive
particles and extend my research to neutrino
physics at highest energies. In addition, I lookforward to spread my fascination for physics tothe students in class and laboratory. Guten Tag!

30kgもするD-Eggの移動を伴う作業は大変ですが、皆日本やICEHAPを好きになって帰って行ってくれるので、うれしいです。
FATは2025年まで続くため助っ人の来日はもう少し続きそうです。

最近のセンター長コロナ下で海外出張するために、ついにガラケーをあきらめスマホに。再入国ルールに敗北しました。

千葉大学 ハドロン宇宙国際研究センター
International Center for Hadron Astrophysics, Chiba University

12Mar. 2023 no.
International Center for Hadron Astrophysics

Twitter@ICEHAP1

Instagram▲▲▲

www.facebook.com/ICEHAP.Chiba.Univ

URL http://www.icehap.chiba-u.jp
icehap@ml.chiba-u.jp

▲
▲
▲

▲
▲
▲

SNS やっていますFacebook〒263-8522 千葉市稲毛区弥生町1-33@icecubechiba

発行：2023年3月1日／発行人：吉田 滋・石原 安野／編集：高橋 恵（ICEHAP）
・石川 順一／デザイン：荒木 未来

ICEHAP ニュース・バックナンバー
これまでに発行されたニュースレターは、当センター HPにてご覧いただけます。▶▶▶

© ICEHAP. All Rights Reserved.

本誌掲載の写真・図版・記事等の無断複写・転載を禁じます。