南極大陸から打ち上げられたGAPS分光計：反物質探索と暗黒物質解明への挑戦

2025年12月16日、南極大陸の広大な氷原を舞台に、宇宙の希薄な反物質原子核を探査するための巨大科学気球による観測ミッションが開始されました。この装置は、一般反粒子スペクトロメーター（GAPS）として知られています。打ち上げは、米国科学財団（NSF）が所有するマクマード基地近郊のロス棚氷から、NASAによる恒例の長寿命気球打ち上げキャンペーンの一環として実施されました。

本ミッションの目標高度は、地球表面から約12万フィート、すなわち約36キロメートルに達することです。この高度では、大気が希薄になり、粒子の検出に最適な環境が整います。GAPS実験は、暗黒物質の粒子的な性質を示す最初の証拠となり得る反重陽子を捉えるよう調整されています。宇宙の全質量の80%以上を占めると推定される暗黒物質の謎に迫る重要な一歩です。ニュージーランド標準時12月16日午前5時30分に成功裏に打ち上げられたこの実験は、南極大陸を周回する数週間にわたる観測飛行を開始しました。

GAPSは、反粒子を識別するための革新的な手法を採用しています。これは、反粒子が形成するエキゾチック原子が崩壊する際に放出されるX線を検出し、さらに対消滅によって生じるパイ中間子・陽子痕跡を記録するというものです。この概念は、磁気分光計を用いた従来の実験とは異なり、反陽子や反重陽子といった低エネルギーの反粒子に対して高い感度を発揮しつつ、背景ノイズを大幅に抑制できます。さらに、南極点付近の低い地磁気剛性カットオフ値が、多くの暗黒物質理論で予測されているまさにそのエネルギー範囲の低エネルギー反重陽子に対する装置の感度を一層高めています。

GAPSプロジェクトは、国際的な協力の賜物です。開発において主導的な役割を果たしたのはハワイ大学マノア校であり、コロンビア大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校、ノースイースタン大学などが参画しました。また、日本、イタリア、中国のパートナー機関も貢献しています。プロジェクトリーダーであるフィリップ・フォン・ドエティンヘム教授は、この実験がハワイを現代物理学の最大の謎の一つを解明する最前線に押し上げたと述べています。技術検証のための予備試験としては、2005年に日本のKEK加速器で概念実証が行われ、さらに2012年6月にはプロトタイプ（pGAPS）を用いた飛行試験が実施されています。

このミッションは、NASAのより広範なキャンペーンの一環でもあります。同キャンペーンでは、より低コストで有望な研究を支援するNASAの「アストロフィジカル・パイオニア」プログラムで選ばれた最初のプロジェクトであるPUEO（ペイロード・フォー・ウルトラハイ・エナジー・オブザベーションズ）も同時に打ち上げられています。PUEOがニュートリノの検出に焦点を当てるのに対し、GAPSは反物質に特化しており、宇宙を多角的に探求するNASAの姿勢を示しています。数週間にわたるデータ収集期間を経て、GAPSの結果は暗黒物質モデルに対して前例のない制約を与えることになります。GAPSの成果は、宇宙反重陽子の明確な初検出につながるか、あるいはその生成を予測する広範なモデル群を排除するかのいずれかとなるでしょう。