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Aug 01, 2023

CERNの大型ハドロン衝突型加速器でニュートリノを初観測

2023 年 8 月 26 日の特集 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの内容を保証しながら、次の属性を強調しました。

2023年8月26日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

ニュートリノは、素粒子物理学の標準モデルで説明される、中性に荷電した小さな粒子です。 これらは宇宙で最も豊富な粒子の一部であると推定されていますが、他の物質と相互作用する可能性が低いため、これまでのところ、それらを観察することは非常に困難であることが判明しています。

これらの粒子を検出するために、物理学者は検出器と先進的な機器を使用して既知のニュートリノ発生源を調べてきました。 彼らの努力は最終的に、太陽、宇宙線、超新星、その他の宇宙物体、粒子加速器や原子炉から発生するニュートリノの観測につながりました。

この研究分野における長年の目標は、2つの粒子ビームが互いに衝突する粒子加速器である衝突型加速器の内部でニュートリノを観察することでした。 FASER (前方探索実験) と SND (散乱ニュートリノ検出器)@LHC という 2 つの大規模研究共同研究が、スイスにある CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) にある検出器を使用して、これらの衝突型ニュートリノを初めて観測しました。 彼らの 2 つの研究結果は最近、Physical Review Letters に掲載されました。

「ニュートリノは、LHCなどの陽子衝突型加速器で非常に豊富に生成されます」とSND@LHCコラボレーションの一員であるCristovao Vilela氏はPhys.orgに語った。 「しかし、これまで、これらのニュートリノは直接観測されたことはありませんでした。ニュートリノと他の粒子との相互作用が非常に弱いため、その検出は非常に困難であり、そのため素粒子物理学の標準モデルでは最もよく研​​究されていない粒子です。」

FASER と SND@LHC のコラボレーションは 2 つの異なる研究活動であり、どちらも CERN の LHC を利用しています。 最近、これら 2 つの取り組みにより、初衝突型ニュートリノが独立して観測されました。これにより、実験的な素粒子物理学の研究に重要な新たな道が開かれる可能性があります。

FASER との共同研究は、光と弱く相互作用する粒子を観察することを目的として確立された大規模な研究活動です。 FASER は、有名な ATLAS 実験から 400 メートル以上離れた別のトンネル内に設置された FASER 検出器を使用して、LHC でニュートリノを観測した最初の研究グループです。 FASER（およびSND@LHC）は、ATLASと同じLHC内部の「相互作用領域」で生成されるニュートリノを観測します。

「粒子衝突型加速器は50年以上前から存在しており、ニュートリノを除くあらゆる既知の粒子を検出してきました」とFASERコラボレーションの共同スポークスマン、ジョナサン・リー・フェン氏はPhys.orgに語った。 「同時に、原子炉、太陽、地球、超新星など、新しい発生源からニュートリノが発見されるたびに、私たちは宇宙について非常に重要なことを学んできました。私たちの最近の研究の一環として、私たちは初めて粒子衝突器で生成されるニュートリノの検出に着手しました。」

FASER との共同研究では、衝突型ニュートリノの軌道を追跡しながらビームラインに沿って検出器を配置し、衝突型ニュートリノを観測しました。 高エネルギーニュートリノは主にこの場所で生成されることが知られていますが、LHC の他の検出器にはこの方向に死角があり、これまではニュートリノを観測できませんでした。

「これらのニュートリノは高い磁束と高エネルギーを持っており、相互作用する可能性がはるかに高いため、非常に短期間で構築された非常に小型で安価な検出器を使用して、ニュートリノのうち153個を検出することができました」とフェン氏は説明した。 「これまで、素粒子物理学は 2 つの部分に分けられると考えられていました。1 つはトップクォークやヒッグス粒子などの重粒子の研究に必要な高エネルギー実験、もう 1 つはニュートリノの研究に必要な高強度実験です。この研究は、次のことを示しました。高エネルギー実験ではニュートリノも研究できるため、高エネルギーと高強度のフロンティアが結集しました。」