ついに「ゴースト粒子」が衝突した

ニュートリノの概念の提案はひらめきのように劇的でしたが、ニュートリノの発見とその基本的な物理的特性の検出は、素粒子物理学の実験家による長期にわたる困難な努力の結果でした。しかし、宇宙線ニュートリノや太陽ニュートリノの生成と検出は常に受動的であり、原子炉や固定標的実験で生成されるニュートリノのエネルギーは比較的低い。 2023年3月、FASER実験は衝突型加速器で高エネルギーニュートリノを初めて直接観測したことを発表しました。

著者：Chen Xin、Hu Zhen、Wang Qing（清華大学物理学部）

今年3月、イタリアで開催された第57回電弱相互作用と統一理論に関するモリオン会議において、FASER（前方探索実験）[1]が大型ハドロン衝突型加速器でニュートリノの初直接観測を行ったと発表しました。これは、ニュートリノの基本的な特性の理解と素粒子天体物理学における観測にとって重要です。

ニュートリノは電荷を持たず、質量が非常に軽い（電子の100万分の1未満）です。それらは光速に近い速度で移動し、非常に弱い相互作用しか行わず、極めて強い浸透力を持っています。私たちの体内には毎瞬間何千億ものニュートリノが流れていますが、私たちはそのことに全く気づいていません。このため、ニュートリノは「ゴースト粒子」というニックネームを得ています。ニュートリノの検出は非常に困難です。ニュートリノが地球の直径と同じ厚さの物質を通過したとしても、その物質と反応するのは100億個のうちの1個程度だけです。実際、原子炉発電（核分裂）、太陽発光（核融合）、自然放射能（ベータ崩壊）、超新星爆発、宇宙線など、ほとんどの素粒子物理学および原子核物理学のプロセスは、ニュートリノの生成と吸収を伴いますが、ニュートリノを検出する手段は非常に限られています。さらに、ニュートリノ実験のほとんどは地下または氷の下に設置されており、超純水または液体シンチレータの環境で十分な大きさの検出器を配置する必要があります。たとえば、中国の大亜湾原子炉ニュートリノ実験、日本のスーパーカミオカンデニュートリノ検出実験、米国のアイスキューブ実験、2万トンの液体シンチレータを備えて建設中の中国江門ニュートリノ実験ステーションなどです。これらは、原子炉ニュートリノを検出するため、または宇宙線ニュートリノや太陽ニュートリノの痕跡を捉えるために使用されます。

もちろん、ニュートリノはヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でも大量に生成できますが、LHCの4つの主要な大型検出器、すなわちALICE、ATLAS、CMS、LHCbは、ニュートリノや暗黒光子（注：暗黒光子はまだ存在が確認されていない）など、粒子ビームラインと平行に生成される光や極めて弱い相互作用をする粒子の信号を検出するのに適していません。ビームラインに垂直なニュートリノの運動量は計算できますが、これは運動量保存の原理に基づく間接的な測定にすぎません。

2019年、先見の明のある理論家たちと4つの検出器に取り組んでいる実験家グループがこの限界に気づき、標準モデルを超える長寿命粒子（LLP）とニュートリノを検出するための小型検出器を構築する提案を欧州原子核研究機構（CERN）に提出し、すぐに承認されました。この検出器はFASERと名付けられています。 ATLASの先端から陽子ビームラインの接線方向に沿って480メートル離れたところに位置しています。これは、ATLAS 衝突センターで生成された LLP の崩壊生成物を検出するために使用されます。このタイプの粒子は通常非常に軽く、標準モデルの粒子との結合力が非常に弱いため、通常の検出器の目から簡単に逃れることができます。質量が小さすぎない場合、レプトンまたは光子対に崩壊します。飛行経路に検出器を設置することで、これらの LLP 粒子の崩壊生成物を検出し、その存在を確認することができます。 LLP 粒子は、暗黒光子、アクシオンのような粒子、または奇数の CP パリティを持つスカラー粒子である可能性があります。一般的に、ビームラインの接線方向に沿って、LLP とニュートリノの収量が最も高く、LLP とニュートリノを検出できる可能性も最も高くなります。

FASER は、LHC と近くのスーパープロトンシンクロトロン (SPS) を接続する欧州原子核研究機構の TI12 トンネルに設置されています。 LLP は ATLAS 検出器で生成された後、FASER に入る前に 480 メートルの直線距離を飛行します。途中で発生する崩壊生成物はFASERによって検出されます。このプロセス中、LLP は FASER に到達する前に 10 メートルのセメントと 90 メートルの岩を通過しました。標準モデルを超える多くのモデルが LLP 粒子の存在を予測しています。これらのモデルは、暗黒物質の性質、ニュートリノ質量の起源、物質と反物質の量の大きな違いなど、物理学における最大の謎のいくつかを解決しようと試みています。

図1: TI12トンネル内部

図2: TI12トンネルに設置されたFASER

FASER には、ATLAS 衝突中心からのニュートリノを検出するために特別に設計された FASERν と呼ばれるサブ検出器も含まれています。これらのニュートリノが存在するエネルギー領域での相互作用はまだ詳細に研究されておらず、その反応断面積はまだ測定されていません。 FASER の電子検出器は、ニュートリノと物質の間に非常に弱い相互作用を形成するのに十分なターゲット物質がないため、衝突型加速器によって生成されたニュートリノを検出できません。 FASERνは、数千枚の交互に並んだタングステン吸収板と原子核ラテックスで構成されており、ニュートリノと物質の相互作用を観測するためのターゲット材料としても検出器としても使用できます。 2021年、検証に使用されたFASERν Pilot検出器は2018年に収集されたデータの結果を発表し、衝突型加速器から6.1個のニュートリノ候補事象が初めて検出されたことを発表しました[2]。

図3: 原子核ラテックス検出器におけるニュートリノ候補事象の画像

昨年、FASER 実験は LHC Run 3 データ収集と同時に開始されました。今年3月に開催されたモリオン国際電弱会議において、FASERは衝突型ニュートリノの初の直接観測を発表しました[3, 4, 5]。特に、FASER はミューニュートリノと電子ニュートリノの候補事象を観測しました。「我々の統計的有意性は約16標準偏差で、これは発見を宣言するための5標準偏差の閾値をはるかに上回っています」とFASERの共同スポークスマン、ジェイミー・ボイド氏は説明した。この分析で検出されたニュートリノは、まず電流を介して FASER 検出器と相互作用してミューオンを生成し、その後 FASER 電子シリコンマイクロストリップ検出器によって検出されます。 FASER 実験では、約数十個のシリコンマイクロストリップモジュールを使用して、荷電粒子の追跡ポイントを検出し、再構築します。これらのモジュールは、ATLAS シリコン検出器のスペアモジュールであり、ATLAS コラボレーショングループの承認を得て FASER 検出器で直接使用されます。将来的には、背景を超えるこれらの信号イベントは、ニュートリノと物質の相互作用の散乱断面積に変換され、理論計算と比較できるようになります。

FASER の実験結果は、粒子加速器でニュートリノが明確に検出された初めての事例でもありました。「我々は、2本の粒子ビームが極めて高いエネルギーで衝突してニュートリノを形成する、全く新しい発生源である粒子衝突型加速器からニュートリノを発見した」と、FASER共同研究の共同スポークスマンであり、このプロジェクトの発起者で、カリフォルニア大学アーバイン校の素粒子物理学者、シャオレン・フェン氏は述べた。[6]別の実験であるSND@LHCも、モリオンド会議で最初の結果を報告し、8つのミューニュートリノ候補事象を示しました。「私たちはまだ背景の体系的な不確実性を評価する作業を行っています。非常に予備的な結果として、私たちの観測は5標準偏差のレベルまで正確です」とSND@LHCの広報担当者ジョバンニ・デ・レリス氏は付け加えています[4]。 SND@LHC 検出器は、LHC Run 3 の開始にちょうど間に合うように、LHC トンネルに設置されました。

これまでのニュートリノ実験では、太陽、超新星爆発、大気、地球、原子炉、あるいは固定標的実験から発生するニュートリノのみを研究してきた。中でも、宇宙空間の天体から発せられるニュートリノのエネルギーは非常に高いものが多いです。例えば、南極の IceCube 実験で検出されたニュートリノのエネルギーは 10 PeV のオーダーに達することがあります。太陽や原子炉によって生成される電子ニュートリノのエネルギーは通常10MeV未満です。固定標的実験におけるニュートリノは数百 GeV に達することがあります。 FASER 実験は、それらの間の空白のエネルギー範囲 (数百 GeV から数 TeV) を埋めます。

清華大学工学部教授で現代物理研究所所長の陳紹民氏は次のように述べている。「FASER実験では、衝突型加速器を使用して、数百GeVから数TeVのエネルギーを持つ統計的に重要なニュートリノを観測し、IceCube実験で観測されたTeVの高エネルギーニュートリノを研究室に持ち帰りました。これは、そのような高エネルギーニュートリノの特性を研究する機会を提供するだけでなく、高エネルギー宇宙線ニュートリノによる宇宙線の起源の研究を精密測定の時代に一歩近づけるものでもあります。」[7]

FASER の研究は、天体ニュートリノの大気背景を理解する上でも非常に重要です。宇宙線が大気中の分子や原子と衝突すると、大量のニュートリノ背景が発生します。これらの衝突によって入射する高エネルギー粒子と衝突粒子の質量中心基準系に変換されるエネルギーは、LHC の衝突エネルギーに似ています。 FASER によるこのエネルギー領域におけるニュートリノの研究は、天体ニュートリノの観測への道を開くことになるでしょう。

図4: 衝突型ニュートリノイベントを検出するFASERの模式図

人間が作り出したエネルギーの最高領域でゴースト粒子を生成し、検出することで、基礎科学に新たな方向性が開かれます。 FASER の実験結果は、ニュートリノ生成のメカニズム、陽子内の低運動量パートンの挙動、衝突点の前方領域の物理などを理解するための扉を開きました。将来的には、FASER が衝突器から他の種類のニュートリノを検出し、異なる種類のニュートリノイベントの比率を正確に決定し (これはニュートリノ分野における標準モデルの重要なテストになります)、ステライルニュートリノや暗黒物質粒子などの新しい物理信号の可能性のある探索の手がかりを提供することを期待しています。

FASER コラボレーションには現在、世界中の 22 のパートナー機関から 80 人を超える研究者が参加しています。中国の清華大学は、FASER共同研究が最初に設立されたときの16の創設メンバーの一つであり、FASER実験の構築、運用、データ分析に貢献してきました[7]。

参考文献

[1] https://faser.web.cern.ch/

[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101

[3] https://arxiv.org/abs/2303.14185

[4] https://home.cern/news/news/experiments/new-lhc-experiments-enter-uncharted-territory

[5] https://indico.cern.ch/event/1227016/contributions/5314959/attachments/2614023/4517266/FaserPhysicsResults.pdf

[6] https://news.uci.edu/2023/03/20/uc-irvine-led-team-is-first-to-detect-neutrinos-made-by-particle-collider/

[7] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1229/5480.htm

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

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