アーサー・B・マクドナルド：地下2キロメートルに潜った物理学者

オンタリオ州の風景の地下2キロメートル、サドバリー近くの稼働中のニッケル鉱山内で、アーサー・マクドナルドは10年以上の歳月をかけて、太陽から降り注ぐ粒子を捉えるために地球表面のほぼすべての粒子から遮断する必要がある実験を行いました。2001年に最終的な数値が出たとき、彼はそれを「エウレカの瞬間」と呼びました。質量がないと仮定されていた幽霊のような粒子であるニュートリノが飛行中に正体を変えていたのです。これは、ニュートリノが質量を持っているという証明でした。

ノバスコシア州シドニーからカリフォルニア工科大学（Caltech）へ

アーサー・ブルース・マクドナルド（Arthur Bruce McDonald）は1943年8月29日にノバスコシア州シドニーで生まれました。初期教育は自宅近くで受け、ダルハウジー大学で1964年に学士号、1965年に物理学の修士号を取得しました。その後、大陸を横断してカリフォルニア工科大学（California Institute of Technology）で大学院研究を行い、チャールズ・A・バーンズ（Charles A. Barnes）指導の下、1969年に核物理学の博士号を取得しました。博士論文のテーマは酸素17、フッ素17、ナトリウム21における特定の核状態の励起エネルギーと崩壊特性に関するもので、彼のキャリアを決定づける発見に至る前、若き核物理学者が足がかりを築くための、技術的で地味な研究でした。

チョーク・リバーからプリンストンへ

マクドナルドの初期の職業人生の大部分は、カナダの核研究施設で過ごされました。1969年から1982年までチョーク・リバー研究所（Chalk River Nuclear Laboratories）の研究員として、カナダの原子炉および粒子物理学の旗艦プログラムに参加しました。その後、1982年から1989年までプリンストン大学で教授職に就き、1989年にオンタリオ州キングストンのクイーンズ大学（Queen's University）に参加するためにカナダに戻りました。同じ年に、彼は地下2キロメートルの稼働中の鉱山で建設されていた、新しく野心的な実験の創設ディレクターとなりました。

サドバリー・ニュートリノ観測所の建設

サドバリー・ニュートリノ観測所（Sudbury Neutrino Observatory、SNO）は、その莫大な岩盤の深さが地球表面に降り注ぐ宇宙線バックグラウンドから超高感度の検出器を遮断できるという理由から、クレイトンニッケル鉱山内に建設されました。その中心には、1種類のニュートリノだけでなく、3つのタイプすべて、つまり「フレーバー」を記録できるという理由で選ばれた1,000トンの重水が置かれました。マクドナルドはSNOの国際的な共同研究を建設段階から、そして1998年に運用が開始されてからは、太陽ニュートリノ問題として知られる数十年来の謎を解明するための、何年にもわたる緻密なデータ収集までを主導しました。地球上の検出器は、太陽物理学が予測する太陽が生成するはずの電子ニュートリノの約3分の1しか一貫して検出できていませんでした。2001年8月、SNOの結果はその理由を示しました。失われたニュートリノは消滅したのではなく、太陽の核からオンタリオの鉱山の坑道までの旅の途中で、電子ニュートリノからミューニュートリノおよびタウニュートリノへと振動（変身）していたのです。この振動は、素粒子物理学の標準模型に組み込まれた当初の仮定に反して、ニュートリノがわずかではあるがゼロではない質量を持っている場合にのみ起こり得ることでした。

太平洋を越えて分かち合ったノーベル賞

2015年のノーベル物理学賞は、マクドナルドと日本の物理学者である梶田隆章（Takaaki Kajita）に共同授与されました。梶田のスーパーカミオカンデ実験は、太陽ニュートリノではなく大気ニュートリノを用いて独立してニュートリノ振動の証拠を発見していました。授賞理由では、「ニュートリノが質量を持つことを示すニュートリノ振動の発見」に対して両名が評価されました。この発見は、ノーベル委員会や広く物理学コミュニティから、数十年にわたって粒子の挙動を驚くべき精度で予測してきた標準模型における、最初の確定的な亀裂とみなされました。マクドナルドはその後、数々の関連する名誉を得ました。2007年のベンジャミン・フランクリン・メダル（物理学部門）、2009年の王立協会（Royal Society）フェロー選出、2010年のキラム賞（自然科学部門）、2011年のヘンリー・マーシャル・トリー・メダル、2013年のジュゼッペ・エ・ヴァンナ・コッコーニ賞（粒子天体物理学部門）、2015年のカナダ勲章コンパニオンへの任命、そしてSNOとスーパーカミオカンデのチーム間で共有された数百万ドル規模の基礎物理学ブレイクスルー賞などです。小惑星229781（Arthurmcdonald）は、2016年に彼にちなんで命名されました。

SNOLAB、暗黒物質、そしてパンデミックへの転向

マクドナルドがSNOのために建設した地下施設は、ニュートリノ実験が終了したときに閉鎖されることはありませんでした。世界で最も深く、最もクリーンな地下科学研究所の一つであるSNOLABへと拡張され、そこでマクドナルドはクイーンズ大学の名誉教授として、ニュートリノ物理学の研究と暗黒物質の探求を続けました。彼のスキルは粒子物理学以外でも有用であることが証明されました。COVID-19パンデミックの間、マクドナルドはオープンソースで大量生産可能な人工呼吸器設計である「Mechanical Ventilator Milano」の背後にある工学的努力を主導する手助けをしました。この取り組みは、病院が機器不足に直面する中、カナダのジャスティン・トルドー首相から公的な支援を受けました。

アーサーが天才と呼ばれる理由

マクドナルドが天才であるという主張は、理論的な洞察の閃きというよりも、自然が非常によく隠していた問いに答えるために必要な、持続的でほとんど頑固なまでの工学的・組織的規律に関するものです。ニュートリノは通常の物質と極めて弱く相互作用するため、1秒間に数兆個が人体を通過しても何の影響もありません。相互作用するわずかな分画を、あるフレーバーと別のフレーバーを区別できるほどきれいに検出するには、地下2キロメートルで、20年近くにわたって、これまで建設された中で最も孤立し、精密に調整された機器の一つを建設・運用する必要がありました。これは突然のアイデアの天才ではなく、容赦ない実験の忍耐の天才です。誰も捉えたことのないものを捉えるのに十分なほど敏感な装置を設計し、明確な答えを得るのに十分な期間、国際的な共同研究を維持し続けたことによるものです。正直な評価としては、ニュートリノ振動の根底にあるアイデアはマクドナルドだけのものだったわけではありません。理論家たちが以前に提案していましたし、梶田隆章のチームは全く異なるニュートリノを用いて独立して並行した結論に達しており、それこそがノーベル賞が分割された理由です。マクドナルドの際立った貢献は、重水、稼働中の鉱山、その規模での宇宙線遮断という、純粋な物理的大胆さが理論と同じくらい応用物理学とリーダーシップの功績であった実験によって、それを決定的に証明したことにあります。

遺産

SNO実験の発見は素粒子物理学の基本的な前提を書き換え、SNOLABを科学インフラの恒久的な一部として残しました。現在は暗黒物質の探索や、地球上の他の場所では不可能なその他の地下深部実験を受け入れています。80歳を過ぎても研究活動を続けるマクドナルドは、カナダで最も勲章を受けた科学者の一人であり、太陽からのわずかな捉えどころのない粒子を捉えるために最初に建設した地下実験室において、現在も存在感を放ち続けています。