イリノイ州バタビア— 4 日後、ラザロは墓からよみがえりましたが、ここフェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) の物理学者は、巨大な粒子検出器を墓のような穴に降ろし、冷たい液体で防腐処理することで復活させています。 2018 年 8 月、労働者は輸送用コンテナよりも大きい 2 つの輝く銀色のタンク、検出器の 2 つの半分をコンクリートで裏打ちされた穴に入れました。 2 年前にヨーロッパから運ばれた ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals の時代遅れの頭字語) は、物理学者が思いついたおそらく最も奇妙な粒子、無菌ニュートリノと呼ばれる奇妙な粒子を求めて、まもなく第 2 の人生を始めるでしょう。
5 月の明るい午後、ICARUS は断熱された石棺の中に横たわり、技術者はその上を動き回り、電子機器をポートに静かに接続している。検出器が配線されると、作業員は厚さ 3 メートルのコンクリートの蓋の下にそれを密閉します。それから ICARUS を極寒の液体アルゴンで満たします、とフェルミ研究所の物理学者アンジェラ・ファヴァは上空の手すりから見守っています。 「年末までにデータの取得を開始したいと考えています。」
この実験は、ICARUS に栄光への新たな一撃を与えます。ほぼ 10 年前、イタリアのラクイラにあるグラン サッソ国立研究所の地下深くで、通常のニュートリノの特性を研究するために実行されましたが、驚くべき結果が得られました。イタリアのナポリ大学フェデリコ 2 世の物理学者であり、エマルジョン追跡装置による振動プロジェクトのスポークスパーソンである Giovanni De Lellis は、次のように述べています。 (OPERA) は、同じ研究室で行われたライバルのニュートリノ実験であり、ICARUS を大幅な観測で打ち負かしました。
それでも、ICARUS は別の方法で成功しました。それは、液体アルゴン時間投影チャンバーと呼ばれる新しい種類の検出器 (イタリアのノーベル賞受賞者カルロ・ルビアの発案によるもの) が、ニュートリノと原子核とのまれな相互作用を前例のない精度で捉えることができることを証明しました。 「正直言って、うまくいくとは思っていませんでした」とニューヨーク州立大学ストーニーブルック校のニュートリノ物理学者 Chang Kee Jung は言う。 「私はちょっと畏敬の念を抱いています。」このアプローチは非常にうまく機能したため、2012 年に米国の物理学者は、次の 10 年で構築される究極のニュートリノ実験のために比較的危険な技術を選択しました。
その間、ICARUS は大西洋の反対側での作業に戻ります。 2017 年にヨーロッパからイリノイ州まで海、川、道路を旅した後、ここフェルミ研究所でニュートリノ探索を再開します。今度は無菌ニュートリノを探します。それらが存在する場合、無菌ニュートリノは、物理学者の粒子と力の標準モデルに新たに追加されます。彼らは仲間のニュートリノについてのしつこいパズルを解決するでしょうが、検出するのははるかに難しいでしょう.通常のニュートリノは、他の物質とかろうじて相互作用します。しかし、無菌ニュートリノはその名の通り、他のニュートリノ以外とはまったく相互作用せず、間接的にしか検出できない微妙な同一性交換によって現れたり消えたりします。
1990 年代後半以降、実験によってその存在が示唆されてきました。説得力には程遠いが、無菌ニュートリノのケースは、懐疑的な物理学者でさえ選択しなければならないかさぶたである。 「それを無視することはできません」とユングは言います。 「本当に閉鎖が必要です。」バージニア工科大学とブラックスバーグの州立大学の理論家であるパトリック フーバーは、大型粒子コライダーで新しい物理学の兆候が見られないことを考えると、この探索はさらに理にかなっていると言います。 「新しい物理学を探すつもりなら、何かが起こっているように見える場所を調べてみませんか?」ヒューバーは言います。
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ニュートリノは、光子を除く宇宙の他のすべての種類の粒子よりも数が多い.毎秒何兆ものそれらが私たち一人一人に気付かれずに通過します.粒子には、その発生方法によって、電子、ミューオン、タウの 3 つのフレーバーがあります。たとえば、核相互作用は電子ニュートリノを生成しますが、ミューニュートリノはミューオンと呼ばれる粒子の崩壊から生じます。ミューオンは電子のより重いいとこで、宇宙線が大気に衝突したときに発生する可能性があります。
奇妙なことに、ニュートリノはフレーバーを変えることができます。この事実が明らかになったのは 20 年前のことで、太陽が放出する電子ニュートリノの数は予測の半分であり、大気から降り注ぐミュー型ニュートリノのかなりの部分が検出器に到達する前に消滅しているように見えることを物理学者が発見したときです。ニュートリノ振動とも呼ばれるフレーバー スワッピングが、これらの不足を説明しています。また、長い間質量がないと考えられていたニュートリノが、実際にはわずかな重さしか持っていないことも証明しています。相対性理論では、質量のない粒子が光速で移動する必要があります。この場合、時間の遅れによって時計が停止し、フレーバーの変化が妨げられます。
物理学者は、原子炉によって生成され、加速器から地球を通過して数百キロ離れた検出器に放出されるニュートリノの振動を研究することにより、3 フレーバー理論を概説しました。世界の現在の大きなニュートリノ実験はフェルミラボの NOv A はミューニュートリノを 810 キロメートル離れたミネソタ州アッシュリバーの検出器に向けて発射し、日本の T2K は同様のビームを東海の研究所から 295 キロメートル離れた亜鉛鉱山の検出器であるスーパーカミオカンデに向けます。このような長い「基線」が必要なのは、3 つのニュートリノ フレーバーが、それらのエネルギーとそれらの質量のわずかな違いに依存する速度で、遠距離でしか振動しないためです。
これらの実験により、研究者は 3 つのニュートリノの質量の違いを理解することができました。しかし、質量自体は計り知れないほど小さいままで、電子の質量の 100 万分の 1 以下です。フェルミ研究所の理論家 Stephen Parke は、ニュートリノの質量がゼロに非常に近いが正確ではない理由を説明する良い方法が物理学者にはほとんどないため、この状況は理論家たちの胸焼けを引き起こしていると述べています。
無菌ニュートリノを入力してください。ほとんど質量のないニュートリノは、標準モデルの数学的対称性を混乱させる、と Parke は説明する。しかし、理論家は、各タイプのニュートリノが量子力学的混合物として生まれると仮定すれば、対称性を修正し、小さな質量を説明できます。通常のニュートリノの大きな助けと、はるかに重い無菌ニュートリノのダッシュです。混合は、通常のニュートリノの質量をさらに減少させ、無菌ニュートリノの質量を増加させる「シーソーメカニズム」を設定します。
無菌ニュートリノの最初の実験的ヒントは、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所で 1993 年から 1998 年まで稼働した液体シンチレータ ニュートリノ検出器 (LSND) からもたらされました。研究者は陽子をターゲットに打ち込み、純粋なミュー ニュートリノのビームを生成しました。しかし、彼らは 30 メートル離れた検出器で数十個の電子ニュートリノを発見しました。この結果は、ミューニュートリノがより重い無菌ニュートリノに急速に変化し、その後電子ニュートリノに変化したことを示唆しています。無菌ニュートリノのより高い質量は、振動をより速く起こすでしょう。
2002 年から今年まで実施されたフェルミ研究所のミニブースター ニュートリノ実験 (MiniBooNE) の研究者は、500 メートル離れたより大きな検出器に高エネルギーのミューニュートリノを発射することで、同様の結果を発見しました。他の実験では、異なる補完的なヒントが見つかりました。多くの測定結果は、原子炉が生成する電子ニュートリノが予想よりも少ないことを示唆しています。いくつかの天体物理学的観測は、宇宙に浮遊する無菌ニュートリノが、宇宙の質量の大部分を占めると考えられている検出されていない暗黒物質粒子である可能性があることを示唆しています.
警告はたくさんあります。 LSND と MiniBooNE の結果を説明できるステライル ニュートリノは、シーソー メカニズムで必要とされるものよりもはるかに軽く、宇宙の暗黒物質を説明するには軽すぎます。原子炉は、ニュートリノ振動のためではなく、高温の原子炉燃料における放射性崩壊の理解が不十分なために、予想よりも少ないニュートリノを生成する可能性があります。 「これらすべての観察結果を一致させることは非常に困難です」とフーバーは言います。しかし、その緊張はさらに大きな発見を暗示している可能性があると Parke は言います。 「それが無菌ニュートリノではなく、他の新しい物理学である場合、それはさらにエキサイティングです」と彼は言います.いずれにせよ、LSND と MiniBooNE の結果を説明する必要があると Parke は言います。
無菌ニュートリノの兆候が蓄積されている間、Rubbia と同僚は ICARUS を開発していました。 Rubbia は 1977 年にこのアイデアを思いつきました。これは、非常に異なる種類の粒子を発見したことでノーベル物理学賞を受賞する 7 年前のことです。特定の核崩壊を支配する弱い核力の原因となる巨大な W 粒子と Z 粒子です。賞を受賞した研究の合間に、Rubbia は 5000 トンの検出器を構想しました。この検出器は、理論的には可能であると予想されていましたが、非常にまれではあるものの、陽子の崩壊を監視していました。同じ検出器で、大気中のニュートリノや加速器から発射されたニュートリノも研究できます。
ニュートリノ検出器は通常、原子核が電子ニュートリノを吸収して高エネルギーの電子を吐き出すときに電子ニュートリノを検出します。ミューニュートリノの場合、信号はミューオンです。イベントは非常にまれであるため、Rubbia は大量の検出器材料を必要としていました。その要件は通常、精度のトレードオフを必要とします。
たとえば、スーパーカミオカンデは、50,000 トンの超純水で満たされたタンクで、13,000 個の光検出器が並んでいます。ニュートリノが電子またはミューオンを生成すると、その加速する荷電粒子が光の衝撃波を放射し、タンクの検出器によってリングとして検出されます。リングの鋭さやぼやけは、粒子の種類と元のニュートリノの風味を明らかにします。しかし、スーパーカミオカンデは、電子やミューオンを正確に追跡したり、相互作用で生成された他の低エネルギー粒子を見つけたりすることができないため、ニュートリノ振動を詳細に研究するための重要な変数である元のニュートリノのエネルギーを推定する能力が制限されます.
Rubbia は、大きくて正確な検出器を思い描いていました。液体アルゴンの大きなタンクで、一方の側にワイヤーの細かいグリッドがあり、もう一方の側に高電圧電極がありました。閃光の中のニュートリノによって生成された高エネルギーの電子またはミューオンは、その経路に沿ってアルゴンをイオン化し、電子の痕跡を残します。強い電界がこれらの電子をグリッドに押し込みます。グリッド内のどのワイヤに電子が衝突したかを記録することで、検出器は元の電子またはミューオンを 3D で追跡できます。高密度の液体は多くのターゲット原子核を提供し、その化学的特性により電子は長距離をドリフトできます。
マサチューセッツ工科大学（ケンブリッジ）のニュートリノ物理学者であるジャネット・コンラッドは、液体アルゴン検出器は電子またはミューオンをミリメートルの精度で追跡し、粒子を簡単に区別できると述べています。 「足跡は大きく異なります。ウサギの足跡とシカの足跡のようなものです」と彼女は言います。このような精度により、スプリアス イベントの除外が容易になります。検出器は、相互作用から放出された他のすべての荷電粒子も追跡できるため、元のニュートリノのエネルギーをより正確に推定できます。これにより、ニュートリノが振動する速度が決まります。
Rubbia のビジョンを実現することは、大きな挑戦でした。アルゴンは -186°C に冷却する必要があり、汚染物質は 1 兆分の 1 のレベルまで削減されます。 1990 年代を通じて、CERN、スイスのジュネーブに近いヨーロッパの素粒子物理研究所、およびパヴィアにあるイタリアの国立核物理学研究所の物理学者は、これまで以上に大きなプロトタイプを開発し、2008 年に最終的な 760 トンの検出器 (Rubbia が望んでいたよりも小さい) をグラン サッソに運びました。 「それは地下トンネルの中にあり、巨大な極低温システムを必要とする巨大な検出器でした」と、グラン・サッソで ICARUS に取り組んだフェルミ研究所の物理学者 Ornella Palamara は言います。 「これにはすべて時間がかかります。」
設置後、ICARUS は CERN から発射されたミューニュートリノの流れを監視し、ミューニュートリノからタウニュートリノまで、まだ観測されていない振動のヒントを探しました。 OPERAは、写真フィルムのレンガを使用して、タウニュートリノによって生成された重くて短命のタウ粒子の崩壊を検出する珍しい検出器でした。 ICARUS の最大の科学的成果は、2011 年 9 月に、CERN から来るニュートリノが光よりも速く移動したという OPERA の主張を打ち破ったことかもしれません。最終的には、電気ケーブルの緩みに起因する偽の信号が突き止められました。 「ICARUS は、間違った場所にある正しい検出器でした」と、コーバリスにあるオレゴン州立大学のニュートリノ物理学者 Heidi Schellman は言います。
それにもかかわらず、ICARUS はニュートリノ研究の方向性を変えました。それは、米国の物理学者が次の偉大なニュートリノ実験を熟考していたちょうどその時に実行されたからです:深層地下ニュートリノ実験 (DUNE) は、サウスダコタ州リードの放棄された金鉱山で 1500 メートル下に潜んでおり、1300 キロメートルのフェルミ研究所から発射されたスネア ニュートリノです。ニュートリノの振動を測定するのに理想的であると物理学者は言う。現在の実験は 3 フレーバー モデルの特定のパラメーターに焦点を当てていますが、DUNE は非常に多くのニュートリノを非常に正確に精査するため、モデルをより厳密にテストするためにすべてのパラメーターを一度に測定します。また、ニュートリノとその反粒子である反ニュートリノとの間の非対称性を探します。これは、初期の宇宙が反物質よりも多くの物質をどのように生成したかを説明するのに役立ちます.
DUNE の初期の計画では、スーパーカミオカンデの 4 倍の大きさの水検出器が想定されていました。しかしその後、物理学者たちは ICARUS からの画像を見始めた、と Fermilab の物理学者 Sam Zeller は言う。 「あなたは彼らを見て、『これはゲームチェンジャーだ』と言うだろう. /P>
しかし、Rubbia は ICARUS で終わったわけではありません。 2013 年に彼は検出器をフェルミ研究所に持ち込むことを提案しました。 そこでは、研究者は無菌ニュートリノを追跡するための同様の検出器を構築することを望んでいました。 「もちろん、フェルミラボの科学委員会は、『腰を据えて一緒に計画を立てましょう』と言いました」とパラマラは言います。
ICARUS は OPERA と競合するには小さすぎましたが、興味をそそる LSND と MiniBooNE の結果を確認または除外するにはちょうどいいサイズだと Schellman は言います。 「これは検出器の見事な再利用です。ICARUS はついにあるべき場所に到達しました。」
以前の取り組みと同様に、フェルミラボの物理学者は、高エネルギーの陽子をターゲットに吹き付けて、強力なミュー ニュートリノのビームを生成します。ニュートリノは、フェルミ研究所のプレーリー キャンパスの下にある一連の 3 つの検出器を通過します。ニュートリノ発生源から 110 メートルのところに、現在建設中の 112 トンの液体アルゴン検出器であるショートベースライン ニュートリノ検出器が設置されます。発生源から 470 メートルのところに、2015 年から稼働している 170 トンの液体アルゴン検出器である MicroBooNE があります。3 つの検出器の中で最大の ICARUS 自体は 600 メートル離れています。
その 3 つの検出器のセットアップは、LSND および MiniBooNE 実験の最大の弱点に対処する必要があります。どちらも、ニュートリノ源から一定の距離にある単一の検出器を使用し、ミューニュートリノビーム内の電子ニュートリノを本質的にカウントしており、それらの予想外の外観は、ミューニュートリノから無菌、電子タイプへの振動に起因すると考えられています。彼らは、光子のような無関係な粒子が、研究者が電子ニュートリノと間違えた偽のイベントを生成している可能性を排除できませんでした.物理学者は、3 つの検出器を使用して、正真正銘のニュートリノ振動の場合と同様に、電子ニュートリノの数が発生源からの距離に応じて増加するかどうかを確認できます。
Parke 氏によると、短距離振動の証拠を突き止めるには、物理学者は 2 番目の補完的な測定も行う必要があります。少数のミュー型ニュートリノが振動して無菌ニュートリノになり、次に電子ニュートリノになった場合、さらに多くのニュートリノが無菌型に振動して完全に消滅するはずです。 「ミュー型ニュートリノが同時に消滅するのが見られない場合、それは無菌ニュートリノの心臓部にある短剣です」と Parke は言います。
ただし、各検出器でミュー型ニュートリノをカウントするほど単純ではありません。高エネルギー ニュートリノは低エネルギー ニュートリノよりもゆっくりと振動するため、物理学者は各検出器でミュー ニュートリノのエネルギー スペクトルを測定し、その形状が距離に応じて正しく変化するかどうかを確認する必要があります。ここで、ニュートリノ エネルギーを集計する液体アルゴン検出器の能力が発揮されます。
実験者は、国際的な1億ドルのプログラムが採石場を見つけるかどうかについて、さまざまな予感を持っています. 「データは無菌ニュートリノを持っているモデルを好んでいます - はるかに」とコンラッドは言います.しかし懐疑的な Zeller は、LSND と MiniBooNE からのヒントは、従来の説明である可能性があると警告しています。 「なんて言っているの？後ろから足音が聞こえたら、それはおそらくシマウマではなく馬だ」と彼女は言う.
彼女も懐疑的ですが、ニュートリノは予想よりも奇妙であることが何度も証明されているため、シェルマンは無菌ニュートリノを無視することをためらっています。 「ニュートリノ振動は、発見されるまでは駄目だと思っていた」と彼女は言う。 「私は判断を保留しています。」
