実験により、これまでの予期せぬ測定結果の「無菌」ニュートリノの説明が覆される

フェルミラボ国立加速器研究所のMicroBooNE実験に携わる実験素粒子物理学者らは、以前の実験の異常な結果の原因であると仮説されている「無菌」タイプのニュートリノの存在を否定する証拠を発見した。 自然。

この発見の共著者であるカンザス大学のある研究者にとって、この結果は、実験データの過去の異常を説明するために進行中の研究に磨きをかけたものであり、既知の 3 種類のニュートリノはこれらの豊富な粒子 (素粒子物理学の標準モデルによれば、現実の基本的な構成要素である) の完全な説明を表すものではないというのが有力な解釈であった。

「この実験は、ニュートリノを研究する広範な国際的取り組みの一環です」と共著者のマリア・ブリジダ・ブルネッティ准教授（KU物理学・天文学部助教授）は述べた。

「それらは光に次いで2番目に豊富な粒子です。それらはあらゆるものを通過し、私たちを通過します。毎秒何十兆もの粒子があなたの体を通過しますが、それらはほとんど相互作用しないため、あなたはそれらに気づきません。それらは弱い重力を通してのみ相互作用することができます。」

ニュートリノは相互作用が非常に少ないため、最も理解されていない粒子の1つであり、それが国際的な素粒子物理学コミュニティがニュートリノの研究に多大な投資を行っている理由です。

ニュートリノ振動の研究方法

「それらの独特の特徴の1つは、フレーバーと呼ばれる3つのタイプがあり、移動するにつれて相互に変化することです」とブルネッティ氏は言いました。この現象をニュートリノ振動といいます。

MicroBooNE やその他の現在および将来の実験では、飛行後にニュートリノを捕捉し、予測との違いを探すことで、これらの振動を研究します。

「ニュートリノは弱い相互作用しかないため、液体アルゴン時間投影室（LArTPC）検出器でニュートリノのいくつかが相互作用するには、強力なビームでニュートリノを大量に生成する必要があります」とブルネッティ氏は述べた。

「これらの検出器を使用すると、粒子の相互作用を非常に高解像度で表現することができます。検出器内では、ニュートリノが液体アルゴン原子と相互作用して荷電粒子を生成します。これらの粒子が通過する際に、アルゴン原子から電子が剥ぎ取られます。検出器に電場を置くと、これらの電子はすべて、信号を収集する読み取り素子に向かってドリフトします。」

これらはピクセル センサー、または MicroBooNE の場合のように複数面のワイヤであり、科学者がニュートリノの振動をより完全かつ正確に理解できるようにするデータを提供するだけでなく、他の基本的な物理学の疑問にも光を当てます。

「どのワイヤやピクセルにドリフト電子が衝突したかという情報と、電子の到達時間から、2D画像や3D表現を構築できる」とブルネッティ氏は語った。

「これらは高解像度であり、実際に非常に詳細な相互作用を撮影することができます。その後、KU グループが専門とする Pandora イベント再構築などの高度なソフトウェアを開発し、画像内で何が見えているかを伝えます。たとえば、ニュートリノがどこで相互作用したか、どの粒子が相互作用から出現してさまざまな信号とそのエネルギーを生成したかなど、大規模で複雑なデータセットの分析が可能になります。」

無菌ニュートリノの除外

KU の研究者によると、MicroBooNE はニュートリノが 4 つ目の不毛なタイプに変化する可能性があるかどうかを研究しており、これによって以前の予期せぬ結果が説明された可能性があります。

「したがって、無菌ニュートリノは基本的な力の1つである重力のみを感じることになる。この実験は新しい物理学を探していた」とブルネッティ氏は語った。

「しかし、もしこれが事実であり、我々がまだ知らない4番目のタイプのニュートリノが存在するとしたら、我々の実験で観察されたことは変わっただろう。代わりに、MicroBooNEは、以前のMiniBooNEとLSNDの実験で観察された異常を確認せず、この論文における無菌ニュートリノへの振動に関するものを含む、いくつかの考えられる説明を除外した。」

ブルネッティ氏は、今回の発見により、これらの異常の説明として無菌ニュートリノの存在がほぼ除外されたと述べた。異常なデータの謎は依然として残っているが、KUの科学者は、発見によって調査範囲が狭まり、より多くの情報に基づいた今後の調査が可能になったと述べた。

ニュートリノ研究の今後の方向性

KU のブルネッティ氏のグループは、主にフェルミ研究所で進行中の短基線ニュートリノ (SBN) プログラムと将来の深層ニュートリノ実験 (DUNE) に携わっており、LArTPC データを再構成して解釈しています。これにより、研究者はニュートリノのフレーバーを決定し、そのエネルギーを測定して振動現象を研究することができます。

「MicroBooNEにとって、これはフェルミラボのショートベースラインプログラムと呼ばれるものの一部です」とブルネッティ氏は語った。 「短い基線振動、つまりニュートリノがそれほど移動しないことを調べる実験を計画することも、ニュートリノがより長い距離を移動する実験を研究することもできます。これがDUNEが行うことです。DUNEはまた、広範囲のエネルギーを持つニュートリノビームを使用します。」

「長い基線と広いニュートリノエネルギー範囲の組み合わせにより、DUNEには振動を研究するためのユニークな機能が与えられます。私たちはフェルミ研究所に加速器と『近距離検出器』の複合体を持っています。そして、発振ビームを研究するための『遠距離検出器』と呼ばれるものを持っています。」

「近距離検出器と遠距離検出器は両方とも、どのニュートリノが最も軽くてどのニュートリノが最も重いかを決定すること、ニュートリノと反ニュートリノが同じように振る舞うかどうかを研究すること、刺激的な新しい物理学の可能性を探すことなど、DUNE の物理的目標を達成するために不可欠です。遠距離検出器はサウスダコタにあるので、800 マイルの旅になります。」

MicroBooNE と DUNE は両方とも LArTPC 検出器を使用しますが、DUNE の検出器ははるかに大きく、より洗練されています。日本でのもう一つの大きな取り組みに加え、世界中に1,400人以上の共同研究者がいるDUNEはニュートリノ研究の最前線を代表しており、ブルネッティとその学生たちは宇宙の最も基本的な仕組みについての科学的理解をさらに洗練させる役割を確実に担っている。