海の塩が幽霊粒子を捕まえる

IceCubeやKM3NeTのような巨大ニュートリノ望遠鏡は、天然の氷や海水を検出器に変える。何立方キロメートルもの透明な媒質を、何千もの光センサーが見張るのだ。これらの望遠鏡は、深宇宙から届くとてつもないエネルギーのニュートリノを捉えてきた。しかし、数百万電子ボルト（MeV）程度の低いエネルギーになると、センサー同士の間隔が広すぎて、ニュートリノの相互作用を1回ずつ見分けることはできない。気づけるのは、計数率が全体として上がることだけである。

これは惜しいことだ。MeVのニュートリノは貴重な情報を運んでいるからだ。近くの崩壊する星――重力崩壊型超新星――は、その中心から直接、約10⁵⁸個のニュートリノを放出する。ほかにも、地球ニュートリノと呼ばれるものは地球の内部を探り、原子炉からのものは精密な測定や遠隔監視を可能にする。

2拍子の信号

電子反ニュートリノは、逆ベータ崩壊と呼ばれる反応で捉えられる。反ニュートリノが陽子に当たり、陽電子（電子の反物質の双子）と中性子をつくる。陽電子はすぐに光の閃光を出す。中性子はしばらくさまよったあと原子核に捕獲され、その原子核が2回目の閃光を出す。時間的にも場所的にも近い2回の閃光――背景雑音がめったにまねできない特徴である。

純粋な水の中では、中性子は約200マイクロ秒後に水素に捕獲され、わずか2.2 MeVのガンマ線を出す。スーパーカミオカンデやSNO+のような高密度の検出器ならこれを見ることができる。だが、宇宙線ミューオン、センサーの雑音、天然の放射能――とくに海水に溶けたカリウム40――の雑音に埋もれた、センサーのまばらな海洋望遠鏡では、ほとんど見えない。

塩素の出番

上海交通大学のRuike Cao、Iwan Morton-Blake、Donglian Xuと同僚たちは、海水にはすでに解決策が含まれていると指摘する。塩素35は海水中の原子核の約0.25%を占めるにすぎないが、遅い中性子を水素より約130倍も捕獲しやすい（43.6バーンに対して0.333バーン。バーンは、原子核が粒子を捕まえる確率を表すのに物理学者が使う単位である）。しかもその捕獲は、約8.6 MeVに相当するガンマ線のカスケードを放出する。エネルギーは4倍で、検出できる光子もずっと多い。

捕獲はより速くもある。純粋な水では約200マイクロ秒かかるところ、海水では約130マイクロ秒だ。待ち時間が短ければ時間窓を狭くでき、偶然の同時発生も減る。

2倍遠くまで

チームはこのアイデアをTRIDENTでシミュレーションした。南シナ海に計画されている次世代ニュートリノ望遠鏡で、約1,000本のセンサーモジュールの列で約10立方キロメートルの水を計測する予定だ。各モジュールには小さな光センサーが31個入っているので、そのうちいくつかが同時に反応することを条件にできる。シミュレーションには、現地で測定されたカリウム40の放射能と、深さ約3キロメートルまでなお届くミューオンが含まれている。

4つのフィルターが反ニュートリノを選び出す。点灯するセンサーの数、2回の閃光のあいだの遅れ（0.3ミリ秒未満）、光の方向、そして隣のモジュールが通過するミューオンを捉えたときの除外（veto）である。

効果は大きい。基準とする太陽質量の27倍の星について、TRIDENTは1回目の閃光だけを使うと、約50キロパーセク（1キロパーセクは約3,260光年）までの崩壊を5シグマの有意性で検出できる。5シグマは物理学者が発見とみなす基準で、偶然である確率が100万分の1未満であることを意味する。塩素で標識した中性子を加えると、それが100キロパーセク超まで伸びる――距離にして2倍である。別の超新星モデル（太陽質量の30倍）では、検出範囲は約60キロパーセクから125キロパーセクに広がる。

2つのグラフ：海水と純水での2回の閃光のあいだの時間と、超新星までの距離に対する検出の有意性。

左：海水（青）では、中性子の捕獲が純水（オレンジ）よりも速く、よく見える。右：中性子を標識すると（赤）、TRIDENTの超新星の検出範囲は1回目の閃光の信号だけ（濃い青）の場合よりはるかに遠くまで伸びる。— Figure 2, Cao et al. (2026), arXiv:2610.30754.

山の下での試験

原理を確かめるため、チームはTRIDENTのモジュール1台を、中国錦屏地下実験室の0.5トンの水槽に沈めた。2.4キロメートルの岩盤の下にあり、宇宙線ミューオンの大半が遮られる。30センチメートル離して置いたアメリシウム・ベリリウム線源は、反ニュートリノと同じ2拍子のパターンをつくる。まずガンマ線、次に中性子だ。

彼らは純水、海水と同じ濃度に塩を溶かした水、そして海の放射能をまねるために塩化カリウムを追加した塩水を試した。塩水では、すばやい2回目の閃光の超過が現れ、その有意性は3.4シグマを超え（発見の基準である5シグマには届かないが、偶然とはとてもいえない水準である）、捕獲時間は0.14 ± 0.04ミリ秒だった――海水の値と一致する。線源を取り除くと、何も出なかった。カリウムを加えると超過は弱くなり、約2シグマだった。

球形のモジュールと線源の入った水槽の図と、測定された遅れの2つのグラフ。

左：錦屏での試験装置。右：塩水中に線源を置いた場合（黒）、短い遅れの超過が、シミュレーションした中性子捕獲（破線）と一致する。— Figure 3, Cao et al. (2026), arXiv:2610.30754.

検出器でいっぱいの海

著者たちは、同じ方法が、KM3NeTやP-ONEのような複数のセンサーを備えたモジュールをもつほかの海水望遠鏡でも使えると見ている。塩はすでにそこにあるので、海のあちこちに散らばった反ニュートリノ検出器も思い描いている。爆発する星、原子炉、地球の内部と、それぞれの標的に合わせて配置するのだ。海のもともとの塩分は、背景ではなく強みになる、と彼らは書く。結果は、まだ計画段階の望遠鏡のシミュレーションと、1回の水槽試験にもとづいている。