海底2,450mに沈めた作りかけのニュートリノ望遠鏡が、相対論の土台を試した。検出ユニット6本・5,828個のニュートリノで置いた制限は、12年ぶんの大型実験に引けを取らなかった

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フランス南部トゥーロンの沖40km、水深2,450mの海底に、建設途中のニュートリノ望遠鏡が立っている。KM3NeT という国際共同研究が作っている ORCA（Oscillation Research with Cosmics in the Abyss）という検出器で、完成すれば100本以上の検出ユニットが並ぶ計画だが、データを取り始めた2020年の時点では6本しかなかった。その6本で1.4年ぶんに集めたニュートリノを使い、相対性理論の土台になっている前提に綻（ほころ）びがないかを調べた結果が、2026年11月4日に Journal of Cosmology and Astroparticle Physics に載った。綻びは見つからなかった。ただ、作りかけの検出器が置いた制限が、はるかに大きく長く走った実験に引けを取らなかったところに、この論文の読みどころがある。

どちらを向いても、どう動いても、法則は変わらないという前提

物理学は、大きく二つの理論の上に立っている。一つは重力と時空を扱う一般相対性理論、もう一つは素粒子のふるまいを扱う標準模型だ。共著者でエアランゲン＝ニュルンベルク大学の博士課程にいる Lukas Hennig さんは Live Science の取材に、「一般相対性理論は宇宙のスケールをよく記述し、標準模型は微視的なスケール、つまり一個一個の粒子がどうふるまうかを記述する」と二つの役割分担を説明している。

この二つに共通する前提が、ローレンツ不変性と呼ばれるものだ。実験装置をどの向きに置いても、一定の速さで動きながら測っても、物理法則は同じ形をしている、という決まりで、アインシュタインの相対性理論はこれを出発点にしている。日常の感覚ではあまりに当たり前に思えるが、二つの理論は宇宙誕生直後のような極端な条件ではうまくかみ合わず、両方をまとめる量子重力の理論が何十年も探されてきた。その候補のいくつか（弦理論やループ量子重力の一部の版など）は、時空がごく小さなスケールでは滑らかでなく、粒のような構造を持つことを許している。そうだとすると、ローレンツ不変性もそのスケールでは厳密には成り立たないかもしれない。論文はこうした破れが現れうる目安として、プランクスケール（約10の19乗 GeV）という途方もなく高いエネルギーを挙げている。

破れがあったとしても、その効き目はごくわずかのはずだ。見つけるには、長い距離を走りながら、途中でほとんど何にもぶつからない粒子が要る。そこでニュートリノの出番になる。

ニュートリノの「入れ替わり」が物差しになる

ニュートリノは電気を帯びず、質量もほとんどない粒子で、地球を毎秒おびただしい数が素通りしている。電子型・ミュー型・タウ型の3種類があり、飛んでいる途中で種類が入れ替わる。これをニュートリノ振動と呼び、入れ替わりの割合は、飛んだ距離とエネルギーで決まる規則的なパターンを描く。

もしローレンツ不変性が破れていれば、このパターンが標準の予測からずれる。論文で使われている「標準模型拡張」という枠組みでは、破れの大きさをいくつもの係数で表し、それぞれの係数が振動にどう効くかを計算できる。効き目は飛行距離が長いほど、またエネルギーが高いほど育つ。そこで研究チームが使ったのは、宇宙線が地球のあちこちの大気にぶつかって生まれ、地球の中を突き抜けて海底の検出器に届く大気ニュートリノだった。反対側の大気で生まれたものは、地球の直径ぶんを飛んでくる。

海底2,450mに沈めた作りかけのニュートリノ望遠鏡が、相対論の土台を試した。検出ユニット6本・5,828個のニュートリノで置いた制限は、12年ぶんの大型実験に引けを取らなかった

海底に立てた6本の糸

ORCA の検出ユニットは、海底に固定したおもりから浮力で垂直に立ち上がる長いひもに、ガラス球を18個ずつ取り付けたものだ。ガラス球の一つ一つに31本の光センサー（光電子増倍管）が詰まっていて、ユニットどうしは水平に約20m、ガラス球どうしは縦に9mの間隔で並ぶ。ニュートリノが海水の中で原子核にぶつかると、できた荷電粒子が水中を走りながら青白い微弱な光（チェレンコフ光）を出す。この光を何千本ものセンサーで拾い、どこから来たどれくらいのエネルギーの粒子だったかを組み立てる。

共著者の Alba Domi さんは博士課程のころ、最初の検出ユニットを海底へ下ろす2隻の船のうち1隻に乗っていたと Live Science は書いている。今回の解析に使われたのは、こうして設置された最初の6本（ORCA6 と呼ぶ）が2020年1月から2021年11月までに取ったデータだ。海況や装置の安定性で絞り込んだあとの観測時間は510日、露出は433キロトン年にあたる。

深海のデータは、そのままでは使いものにならない。海水に含まれるカリウム40の放射性崩壊と、微生物の発光が絶え間なく光を出しているうえ、大気で生まれたミュー粒子が上から降りそそぐ。ミュー粒子の数はニュートリノの1,000万倍にもなる。チームはまず、下から上に向かって飛んできた事象だけを選んだ。この程度のエネルギーのニュートリノにとって地球は透明だが、ミュー粒子にとっては不透明なので、地球そのものを遮蔽（しゃへい）板にできる。Hennig さんは「通り抜けられるのはニュートリノだけだ」と話している。さらに機械学習の分類器で向きを誤って再構成したミュー粒子を取り除くと、混入は2%以下に抑えられた。残ったニュートリノ候補は5,828事象だった。

破れは見つからず、上限が残った

5,828事象のエネルギーと到来方向の分布を、標準のニュートリノ振動だけで説明したときと、破れの係数を一つずつ加えたときとで比べた。結果は、どの係数を加えても当てはまりは良くならなかった。つまり破れの兆候は無い。そこで、データと矛盾しない係数の上限値を置いた。

対象にしたのは、「質量次元3」と分類される、種類の入れ替わりに直接効く3つの係数だ。たとえばミュー型とタウ型のあいだに効く係数は、95%の信頼度で 0.48×10のマイナス23乗 GeV より小さいと決まった。電子型とミュー型のあいだは 2.53×10のマイナス23乗 GeV、電子型とタウ型のあいだは 4.70×10のマイナス23乗 GeV がそれぞれ上限だった。あわせて、ミュー型とタウ型の係数の差（質量次元3から8まで）についても、こうした大気ニュートリノの観測から直接の上限を置いたのはこれが初めてだと論文は書いている。こちらは、遠い天体から来るニュートリノの種類の比率を仮定しなくてよい点が持ち味になる。

上限値には、理論を作る側にとっての意味がある。Hennig さんの言い方を借りれば、ある模型が今回の上限より強い破れを予言しているなら、データがその模型を除外したことになる。

作りかけの検出器で、なぜ足りたのか

論文は、この3つの係数への制限が、約12年ぶんのスーパーカミオカンデのデータから得られた上限や、南極の IceCube が2年ぶんの大気ニュートリノから得た上限と比べて遜色ないとしている。Hennig さんも「検出ユニット6本だけで競争力のある結果が出たのには驚いている」と話している。

検出器の大きさで勝てないのに結果が並んだのには、物理的な理由がある。鍵は、今回ねらった係数のエネルギーへの効き方だ。質量次元3の係数は、エネルギーが高くなると効き目が一定の値に落ち着く性質を持つ。高エネルギーのニュートリノで見ると、ミュー型が一定の割合でただ減って見えるだけになり、この減り方は「もともとのニュートリノの数が少し違っていた」という説明と区別がつきにくい。大きな検出器ほど高エネルギー側に強いのだが、この係数に関しては、その強みが生きにくい。

いっぽう ORCA は、もともと1〜100 GeV という比較的低いエネルギーの大気ニュートリノ振動を精密に測るために設計されている。この領域では標準の振動そのものがエネルギーごとに大きく形を変えるので、破れの係数が加わると分布の形そのものが歪む。数が少し減るのではなく、形が変わる。だから事象数が少なくても見分けがつく。論文はこの性質を、ORCA がこの係数に強い理由として挙げている。

氷と水の違いも、データの質に効く。Domi さんによると、氷は水より光を散乱させ、水は氷より光を吸収する。どちらが有利ということではなく、ニュートリノのエネルギーと経路を組み立てる手順が変わる、という話だ。

6本から108本へ

ORCA の建設は続いていて、Live Science によれば現在は44本のユニットが海中にあり、2030年までに108本を稼働させる計画だという。データが増え、検出器が大きくなれば、今回は手をつけなかった係数にも届くようになる、と論文は締めている。今回の解析では、係数を一度に一つだけ動かす形をとり、向きによらない「等方的」な破れだけを対象にした。地球の自転につれて信号が周期的に変わるような、向きに依存する破れは、今後の解析に回されている。

Domi さんは、破れの効き目が距離とエネルギーで育つことから、遠い天体から届く高エネルギーのニュートリノが「この種の研究には実のところいちばん向いた候補だ」とも話している。KM3NeT にはシチリア島沖にもう一つ、そうした高エネルギーのニュートリノをねらう ARCA という検出器があり、チームはそちらでも同じ探索を繰り返す予定だ。

時空に粒があるのかどうかは、まだ誰にも分からない。分かったのは、海底に立てた6本の糸でも、その問いに数字で答えられる範囲があるということだ。

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