科学者がプロトタイプの検出器で初めてニュートリノを観測

国際的な地中深部ニュートリノ実験（DUNE）に向けた大きな一歩として、科学者らは米国エネルギー省フェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）のプロトタイプDUNE粒子検出器を使用して初めてニュートリノを検出した。

DUNE検出器プロトタイプの核となる革新的な新技術は、革新的なエンドツーエンドのピクセルセンサーと電子システムであるLArPixであり、画像化が可能 ニュートリノイベント ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の物理学者とエンジニアのチームによって真の 3D で設計、作成、構築され、今年初めにフェルミ国立加速器研究所に設置されました。

現在建設中の DUNE は、世界で最も包括的なニュートリノ実験となる。科学者は、この実験により、ニュートリノ研究の新たな分野を探求し、物質の起源の探究や超新星やブラックホールの形成に関する理解を深めるなど、宇宙最大の物理的謎のいくつかを解明できる可能性がある。

DUNE には新しい設計と技術が採用されるため、科学者たちは最終的な検出器の設置に備えてプロトタイプの機器とコンポーネントをテストしています。2 月に、DUNE チームはフェルミ国立加速器研究所の既存のニュートリノ ビームラインの経路に最新のプロトタイプ検出器の設置を完了しました。7 月 10 日、チームは加速器によって生成された最初のニュートリノをプロトタイプ検出器で記録することに成功したと発表しました。これは設計の検証に向けた一歩です。

「これは、この技術の可能性を示す非常に重要なマイルストーンです」と、モジュールの設置を調整したフェルミ国立加速器研究所の科学者ルイーズ・スーター氏は語った。「この検出器の設計、構築、設置に費やされた多大な努力が認められたのは素晴らしいことです。」

バークレー研究所は、フェルミ国立加速器研究所敷地内に建設される予定の DUNE 検出器近くの複合施設の一部である、新しいニュートリノ検出システムのエンジニアリング統合を主導しています。このプロトタイプは、4 つのモジュールが正方形に配置されていることから 2×2 プロトタイプと呼ばれ、液体アルゴン時間投影チャンバーを使用して粒子の軌跡を記録します。

「DUNE には高強度環境に耐えられる液体アルゴン TPC (LArTPC) 検出器が必要ですが、これは不可能だと考えられてきました」と、バークレー研究所ニュートリノ物理グループの責任者であり、新システムの設計と製造に主要な要素を提供した ND-LAr コンソーシアムのプロジェクト技術リーダーであるダン・ドワイヤー氏は語ります。「LArPix の発明により、LBNL のチームはこの夢を現実のものにしました。現在 DUNE に設置されている 2×2 デモンストレーターは、当社独自の 3D 読み出しと高カバレッジ光検出器を組み合わせたもので、真に革新的な粒子検出器となっています。」

ブルック・ラッセル氏は、元バークレー研究所のチェンバレン博士研究員で、現在はMITの物理学のニール・アンド・ジェーン・パパラルド特別研究員であるが、2×2プロトタイプの開発で重要な役割を果たした。同氏はこのプロトタイプを「約4ミリメートルの細かさで337,000個を超える個別の電荷感度ピクセルを備えた、この種の検出器としては初めてのもの」と表現している。バークレー研究所は、COVID-19パンデミックの間、エンドツーエンドのピクセル電荷読み出しシステムの設計、構築、テストを主導した。

「ニュートリノビーム内での2×2プロトタイプの運用は、ニュートリノ相互作用測定のための高忠実度3D LArTPCイメージングの新時代の到来を告げるだろう」とラッセル氏は語った。

DUNE 近接検出器の最終バージョンには、それぞれプロトタイプよりも大きい 35 個の液体アルゴン モジュールが搭載されます。これらのモジュールは、サイトの近くで予想される膨大なニュートリノ フラックスをナビゲートするのに役立ちます。

2×2 プロトタイプは、DUNE の特殊な状況に対応するため、高度で詳細なニュートリノ画像化の新しい方式を可能にする新しい技術を実装しています。バークレー研究所のチームが開発したミリメートルサイズのピクセル読み出しシステムを備えており、大規模な高精度 3D 画像化を可能にします。モジュール設計と相まって、ICARUS や MicroBooNE などの従来のニュートリノ検出器とは一線を画しています。

現在、2×2 プロトタイプは、DUNE コラボレーションによって分析され公開された最初の加速器ニュートリノ データを提供します。

DUNE は、数百マイル離れた 2 つの場所に分割されています。シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所で発生したニュートリノのビームは、フェルミ国立加速器研究所の敷地内にある粒子検出器を通過し、その後、地中を 800 マイル移動して、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設 (SURF) にあるいくつかの大型検出器に到達します。

フェルミ国立加速器研究所の DUNE 検出器は、ニュートリノビームをその発生源近く、つまり最も強度が高い場所で分析します。協力者は、この近くの検出器が毎秒発生するパルスあたり約 50 回の相互作用を記録すると予想しており、これは DUNE が稼働する数年間で数億回のニュートリノ検出を意味することになります。科学者は DUNE を使用して、ニュートリノの反物質である反ニュートリノの研究も行います。

加速器によるニュートリノと反ニュートリノのこれまでにない流れは、DUNEの野心的な科学目標の達成を可能にする。物理学者は、DUNEの近距離検出器と遠距離検出器で粒子を研究し、粒子が移動するにつれてどのように種類が変化するか、いわゆる「ニュートリノ回転」現象についてさらに詳しく調べる。 ニュートリノ振動物理学者は、ニュートリノ振動と反ニュートリノ振動の違いを調べることで、CP対称性の破れとして知られる対称性の破れの証拠を探し、ニュートリノが宇宙における物質の蔓延の原因であるかどうかを判断します。

DUNE コラボレーションは、200 を超える研究機関の 1,400 人を超える科学者とエンジニアで構成されています。これらの機関のうち約 40 が近接場検出器の開発に取り組んでいます。具体的には、2×2 プロトタイプ ハードウェアの開発は、スイスのベルン大学、米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所、バークレー研究所、SLAC 国立加速器研究所が主導し、多くの大学が多大な貢献をしています。

「2×2デモンストレーターは、まさに愛情の結晶です」とドワイヤー氏は語ります。「すべては、これらの新技術が素晴らしい粒子検出器として結集する可能性を見出した、数人の熱心なチームから始まりました。プロジェクトが前進している今、結果は素晴らしいものであり、2×2デモンストレーターから得られたこれらの素晴らしい画像は、私たちが正しい方向に進んでいることの証拠です。」

「高強度ビーム中のニュートリノを測定するために開発した技術が成功したことは素晴らしいことです」と、モジュール設計のコンセプトが生まれ、4 つのモジュールすべてが組み立てられテストされたベルン大学の教授で、新しい粒子検出システムの取り組みを主導したミシェル・ウェーバー氏は語ります。「この技術が複数のニュートリノ相互作用を同時に記録する能力を実証できたことで、DUNE 液体アルゴン検出器の構築への道が開かれるでしょう。」

次のステップ

2×2 プロトタイプのテストは、革新的な設計と技術が近接場検出器の要件を満たす規模で効果的であることを示すために必要でした。ニュートリノと反ニュートリノをこれほど高い割合で検出できるモジュール式液体アルゴン検出器は、これまで構築もテストもされたことはありませんでした。

フェルミ国立加速器研究所の既存のビームラインはテストに最適な場所であり、研究者にこれらの謎の粒子を測定する刺激的な機会を提供します。ビームラインは現在「反ニュートリノ モード」で稼働しており、DUNE の科学者は 2×2 プロトタイプを使用して反ニュートリノとアルゴンの相互作用を研究します。

反ニュートリノがアルゴン原子に衝突すると、アルゴンが充填された検出器の近くで相互作用して他の粒子を生成します。プロトタイプは、生成される粒子の種類と頻度を観察します。これらの反ニュートリノ相互作用を研究することで、科学者は DUNE でニュートリノと反ニュートリノの振動を比較できるようになります。

「このデータの分析は、私たちの若い科学者が経験を積む絶好の機会です」と、2×2プロトタイプの最初のテストコーディネーターであり、プロトタイプの新しい読み出しシステムが開発されたバークレー研究所のチェンバレン博士研究員であるケビン・ウッドは述べています。「2×2プロトタイプによって撮影されたニュートリノの相互作用は、私たちがDUNEオンライン立ち上げの準備を続ける中で、大学院生、博士研究員、その他の若い協力者たちが分析するための待望のデータセットを提供します。」

DUNE 共同研究チームは、数か月かけてフェルミ国立加速器研究所のビームラインからニュートリノを 2×2 プロトタイプに照射する計画を立てています。

イタリアのボローニャ大学の物理学教授であり、ブルックヘブン国立研究所のメアリー・ビシャイとともにDUNEの広報担当者を務めるセルジオ・ベルトルッチ氏は、「これは2×2チームとDUNEの共同研究全体にとって画期的な出来事です。これがDUNEにとっての多くのニュートリノ相互作用の最初のものとなることを願っています」と語った。