加速器ニュートリノ

加速器ニュートリノは、粒子加速器を使用して得られる人為的に生成されたニュートリノまたは反ニュートリノであり、陽子ビームが加速されて固定されたターゲットに衝突し、中間子（主にパイ中間子）が生成され、これがニュートリノに崩壊します。加速された陽子のエネルギーと、中間子が飛行中に崩壊するか静止中に崩壊するかによって、異なるフレーバー、エネルギー、角度分布のニュートリノを生成することができます。加速器ニュートリノは、ニュートリノビームの高強度を利用してニュートリノ相互作用とニュートリノ振動を研究するために使用されます。また、他のソースからのニュートリノよりもはるかに高い範囲でニュートリノの種類と運動学的特性を制御し理解する可能性もあります。

ミューオン ニュートリノまたはミューオン反ニュートリノビーム生成のプロセスは、以下のステップで構成される：^{[1] [2]}

• 粒子加速器における一次陽子ビームの加速。
• 陽子ビームを固定ターゲットに衝突させる。このような衝突では、主にパイオンとカオンなどの二次粒子が生成されます。
• 一連の磁気ホーンによって、選択された電荷を持つ二次粒子を集束します。正電荷の場合はミューニュートリノビームが生成され、負電荷の場合はミュー反ニュートリノビームが生成されます。
• 数百メートルの長い崩壊トンネル内での飛行中の二次粒子の崩壊。荷電パイオンは電荷とレプトン数を保存する原理に従って、99.98%以上がミューオンとそれに対応するニュートリノに崩壊します。^[3]

π⁺
→
μ⁺
+
ν
_μ、   
π⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ

通常、ニュートリノの1種類だけを含む純粋なビームを意図しています。
ν
_μまたは
ν
_μしたがって、崩壊トンネルの長さは、パイ中間子の崩壊の数を最大化し、同時にミュー中間子の崩壊の数を最小化するように最適化され、^[4]望ましくないタイプのニュートリノが生成されます。

μ⁺
→
e⁺
+
ν
_μ+
ν
_e、   
μ⁻
→
e⁻
+
ν
_μ+
ν
_e

ほとんどのK中間子崩壊^[5]では、適切なタイプのニュートリノ（正K中間子の場合はミューニュートリノ、負K中間子の場合は反ミューニュートリノ）が生成される。

け⁺
→
μ⁺
+
ν
_μ、   
け⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ（崩壊率63.56％）

け⁺
→
μ⁺
+
ν
_μ+
π⁰
、   
け⁻
→
μ⁻
+
ν
_μ+
π⁰
（崩壊率3.35％）

しかし、電子（反）ニュートリノに崩壊する割合もかなり大きい。

け⁺
→
e⁺
+
ν
_e+
π⁰
、   
け⁻
→
e⁻
+
ν
_e+
π⁰
（崩壊率5.07％）。

• 残りのハドロンと荷電レプトンはビームダンプ（通常はグラファイトのブロック）と地面に吸収されます。同時に、ニュートリノは妨げられることなくさらに遠くまで移動し、親粒子の方向に近づきます。

ニュートリノは電荷を持っていないため、電場や磁場を使って集束したり加速したりすることができず、そのため加速器の荷電粒子ビームのように平行で単一エネルギーのニュートリノビームを作成することはできません。ニュートリノは運動エネルギーの一部を引き継いで親粒子に近い方向に移動するため、一次陽子ビームのエネルギーを適切に選択し、二次パイ中間子とカオンを集束させることで、ニュートリノの方向とエネルギーをある程度制御することができます。

生成されたニュートリノのエネルギー分布をさらに狭める方法は、いわゆるオフアクシスビームの使用です。^[6]加速器ニュートリノビームは、ニュートリノが平行に動かず、特定の角度分布を持つため、明確な境界のない幅広のビームです。しかし、ビームの軸（中心）から離れるほど、ニュートリノの数は少なくなりますが、エネルギー分布も変化します。エネルギースペクトルは狭くなり、その最大値はより低いエネルギーの方へシフトします。オフアクシス角度、したがってニュートリノエネルギースペクトルは、ニュートリノ振動の確率を最大化するように、または所望のタイプのニュートリノ相互作用が支配的になるエネルギー範囲を選択するように最適化できます。

オフアクシスニュートリノビームが使用された最初の実験はT2K実験であった^[7]

ニュートリノビームの崩壊トンネル内での荷電レプトン（陽電子、ミューオン）の生成を監視することにより、発生源でのニュートリノの高度な制御を実現できます。この方法を採用する施設は、モニターニュートリノビームと呼ばれます。レプトン率が十分に小さい場合、最新の粒子検出器は、崩壊トンネルで生成された荷電レプトンに時間タグを付け、このレプトンをニュートリノ検出器で観測されたニュートリノに関連付けることができます。1960年代にさかのぼるこのアイデア^[8]は、タグ付きニュートリノビームの概念の枠組みで開発されましたが、まだ実証されていません。モニターニュートリノビームは狭いエネルギー範囲でニュートリノを生成するため、オフアクシス技術を使用して、相互作用頂点、つまり公称ビーム軸からのニュートリノ相互作用の距離を測定することにより、ニュートリノエネルギーを予測できます。 2021年にENUBETコラボレーションによって10～20%の範囲のエネルギー分解能が実証されました。^[9]

以下は、過去または現在の物理学実験で使用されているミューオン（反）ニュートリノビームのリストです。

• CERNのスーパープロトンシンクロトロンによって生成されたCERNニュートリノグランサッソ（CNGS）ビーム^[10]は、 OPERAおよびICARUS実験で使用されています。
• SciBooNE、MiniBooNE、MicroBooNE実験で使用される、フェルミ国立加速器研究所のブースターシンクロトロンによって生成されたブースターニュートリノビーム (BNB) 。
• MINOS、MINERνA、NOνA実験で使用されるフェルミ国立加速器研究所のメインインジェクターシンクロトロンによって生成されたメインインジェクター(NuMI) ビームのニュートリノ。
• K2K実験で使用される、筑波のKEKにある12 GeV陽子シンクロトロンによって生成されたK2Kニュートリノビーム。
• T2K実験で使用される東海村のJ-PARCメインリングシンクロトロンで生成されたT2Kニュートリノビーム^[7]。

• ドーレ、ウバルド。ロヴェレ、桟橋。ルドヴィチ、ルシオ（2019年10月2日）。 「加速器ニュートリノビームの歴史」。ヨーロッパ物理ジャーナル H . 44 (4–5): 271–305。arXiv : 1805.01373。Bibcode :2019EPJH...44..271D。土井：10.1140/epjh/e2019-90032-x。S2CID  73628709。

• 加速器ニュートリノ - フェルミ研究所