先週、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で研究する物理学者チームが、同施設で初めてニュートリノを検出したと発表した。ニュートリノは、存在が証明されている粒子の中で最も小さく、相互作用が最も弱い粒子の1つである。
ニュートリノは基本的に宇宙のいたるところに存在しますが、適切な条件下でのみ通常の物質と相互作用します。あなたがこの文章を読んでいる間にも、数兆個のニュートリノがあなたの体を通過しています。しかし、実際にニュートリノを「見る」ためには、物理学者は極めて隔離された環境の中に巨大な検出器を構築する必要があります。
ニュートリノ検出器は、例えば何マイルもの深さの氷の中に埋められたり、世界最深の湖に沈められたりしてきました。しかし、先週Physical Review D誌に掲載された今回の検出は、これまでの常識を覆すものです。衝突型加速器で初めて検出されたニュートリノ検出器だからです。
「このプロジェクト以前、粒子加速器でニュートリノの兆候が観測されたことは一度もありません」と、カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者であり、この実験を運営した共同研究チームの共同リーダーでもある、研究共著者のジョナサン・フェン氏はプレスリリースで述べた。「この画期的な進歩は、捉えどころのないこれらの粒子と、それらが宇宙で果たす役割についての理解を深めるための一歩となるでしょう。」
これらの粒子は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の素粒子物理学実験であるFASERと呼ばれるエマルジョン検出器の試験運転によって検出されました。エマルジョン検出器は、暗黒物質を構成する未知の物質のような、超微小粒子を探すための装置です。
「最もエネルギーの高いニュートリノはビームライン沿いで生成されることが判明しました」とフェン氏はGizmodoへのメールで述べた。「これらのニュートリノは相互作用する可能性が最も高いため、FASERをビームライン沿いに設置することで、FASERは非常に小型の検出器であるにもかかわらず、それらのニュートリノをいくつか捕捉することができました。」
FASERのパイロット検出器は、鉛とタングステン板（それぞれ101枚と120枚）を交互に重ねて作られており、それぞれの板には対応する枚数の乳剤フィルムが入っています。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での反応によって生成されたニュートリノは、FASER内の重金属原子核に衝突し、乳剤層にその痕跡を残します。
フェン氏は、実験の将来は「間違いなく楽観的」であり、FASERの成功はチームが正しい方向に進んでいることを示していると述べた。「多くの科学分野では、最初の実験で少数の粒子を検出し、2番目の実験でさらに少数を検出し、3番目の実験で精密測定を行うのに十分な粒子を検出します」とフェン氏は述べた。「今回の結果は、今後数年間でこれら3つの段階すべてを次々と通過できると期待していることを意味します。2024年までにLHCで1万個のニュートリノを検出する予定であり、それらが私たちに何を伝えてくれるのか、非常に楽しみです。」
FASERは、現在のパイロット実験よりも反応性と識別力に優れた計画中の実験であるFASERnuの前身です。FASERnuは、高エネルギーニュートリノの相互作用を研究するだけでなく、弱く結合した新しい素粒子や、暗黒光子などの暗黒物質候補の探索も目的としています。
「新しい検出器の性能とCERNという絶好の立地を考えると、2022年から始まるLHCの次回運転では、1万回以上のニュートリノ反応を記録できると期待しています」と、カリフォルニア大学アーバイン校の物理学者で、FASERの共同リーダーであり、今回の論文の共著者でもあるデビッド・キャスパー氏は、同じ発表の中で述べています。「私たちは、人工発生源から生成された史上最高エネルギーのニュートリノを検出することになるでしょう。」
FASERnuは今年、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に設置され、来年、同加速器の3回目の運転開始に合わせてデータ収集を開始する予定です。FASERnuは、検出するニュートリノの種類とそのフレーバーに関するデータも収集します。2024年までに、極めて微小なニュートリノの多く、そしてそれらの正体に関する新たな詳細が記録される予定です。
この記事は、Jonathan Feng 氏からの追加コメントにより更新されました。
続き：物質を通り抜ける極小粒子ニュートリノの重量を、大規模な実験で測定
