デビッド・B・クライン

デイビッド・ブルース・クライン（1933年12月7日 - 2015年6月27日）は、ヒッグス粒子、W粒子、Z粒子の発見に貢献したことで知られるアメリカの素粒子物理学者。^[1]ウィスコンシン大学マディソン校で博士号を取得後、同大学の物理学部に入り、「フェノグループ」を設立した。^[2]現象学の略称であるこのグループは、素粒子物理学者が実験の設計と実行を行うとともに、現在の素粒子物理学の標準モデルを超える理論モデルの開発に携わっていた。^[3]その後、UCLAに移り、UCLA物理学・天文学部の成長に貢献したことで、物理学・天文学の特別教授となった。^[4]

クライン氏は、米国の粒子加速器である超伝導超大型加速器ではなく、欧州原子核研究機構（ CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で働くことを選択した。^{[2] [4] [5]}在職中、彼と他の研究者はコンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）実験を設立した。この実験は、現在でも標準モデルの調査に利用されており、史上最大級の国際科学協力の一つとなっている。^{[4] [6]クライン氏は}ICARUSニュートリノ検出器の開発にも携わった。^{[7] [8] [4]}この検出器は完成すれば、当時としては最大の検出器となり、太陽からのニュートリノと欧州原子核研究機構（CERN）からのビームを検出する目的で建造された。^{[4] [1]}  

キャリアの後半では、クラインは興味を天体粒子物理学に移しました。^[1]彼は、タイムプロジェクションチェンバーを使用して検出を強化するために、粒子検出器で液化した希ガスを使用する先駆者でした。^[9]これはニュートリノ振動の調査作業を容易にしただけでなく、検出器への希ガスの導入は暗黒物質の検出にも利用できました。^[7]暗黒物質の捉えどころのない性質に触発されたクラインは、暗黒物質研究のための2年に1度の国際会議を組織し、2020年3月に第14回会議を開催する予定です。^[10]

クラインは1933年12月7日、カンザス州ローズデールで生まれた。同市のローズデール高校に入学、卒業し、除隊後はカンザス州立大学に入学し、1959年に物理学の学士号、1961年に物理学の修士号を取得した。^[11] その後も研究を続け、ウィスコンシン大学マディソン校でウィリアム・フライ博士の指導の下、博士号を取得した。^[1] 1965年に「正K中間子のまれな崩壊モードの研究」と題した博士論文を完成させた。^{[12] [1]}彼の博士論文では、当時未発見だった帯電Wボソンと電気的に中性なZボソンの存在を調査した。彼は崩壊するK中間子の観察によって中性の弱い力の媒体の存在を否定したが、後にCERNでの実験で特定の相互作用にはZボソンの存在が必要であると主張されたときにこの信念を撤回した。^[1]

1967年、クラインはウィスコンシン大学の教授に任命された。^{[13]そこで彼は、理論と}現象論の両方で幅広い粒子物理学の研究を追求することに専念する物理学者で構成される「フェノグループ」を共同設立した。^[3]

同年、クラインはCERNで働き始め、ペンシルベニア大学のアルフレッド・E・マン、ハーバード大学のカルロ・ルビアとともに、チームはフェルミ国立加速器研究所の新しい加速器複合施設でニュートリノビームを使用して弱い力を研究する最初の実験を開始する文書を作成した。 ^[14]不確実な時期の後、クラインと共同研究者は、特定のニュートリノ相互作用には弱い中性カレントの存在が必要であるというジュネーブのCERN研究所の主張に同意した。^[11] 1976年、グループはCERNのシングルビーム陽子加速器をデュアルビーム陽子-反陽子衝突型加速器にアップグレードすることを提案した。この270 GeV反陽子-陽子衝突型加速器の設置と、より高度なビーム冷却技術の実装により、中間ベクトルボソン（IVB）の研究が促進された。理論上の質量は80～90 GeVで、衝突型加速器の高エネルギーによりこれらの粒子が初めて観測されると期待されていた。^[15] CERNでの実験は成功し、1983年にIVBが検出され、弱い力が初めて電磁力から区別された。^{[1] [4]この発見により}、WボソンとZボソンの発見により、カルロ・ルビア博士とサイモン・ファン・デル・メール博士に1984年のノーベル物理学賞が授与された。^[16]

WボソンとZボソンの発見に関わった後、クライン氏は1986年にUCLA物理学部に移った。 ^[4]そこで彼は大学の素粒子物理学部を成長させ、新しい研究分野を取り入れる努力を積極的に追求し始めた。彼は当時急速に成長していた分野である加速器物理学を専門とする教員の雇用に力を入れた。^[4]クライン氏はUCLA物理学・天文学部の支援を受けて天体素粒子物理学と加速器物理学の発展に貢献したことで物理学と天文学の著名な教授となり、この分野で世界的に認知されるようになった。彼は地上の太陽ニュートリノ源と超新星ニュートリノ源を使用したνΤ_{ニュートリノ}とνe_{ニュートリノ}の質量、イタリアのICARUS検出器を使用した核子崩壊、ニュートリノ振動の研究を提案した。^[7]プロジェクトを達成するために、クラインと米国の物理学者の小グループは、銀河系外の超新星爆発を観測するのに十分な大きさの超新星ニュートリノ検出器の新しい設計を提案した。^[17]

クラインは、1976年に彼らが提案した方式を初めて実行した1983年のCERNでの発見の実験に参加した。^{[18]その後、クラインは}トップクォークを発見したフェルミ国立加速器研究所の実験や、 2012年にヒッグス粒子を発見したCERNの実験の1つにも参加した。^[19]

UCLAでは、液化希ガスを粒子検出器として使用する先駆者の一人であり、液体アルゴンとキセノンを使用して暗黒物質を検出する技術の開発に革新的な貢献をしました。^[11]

1990年代初頭、米国は超伝導超大型加速器を建設する計画を立てていた。クラインは、競合する欧州の超大型加速器である欧州原子核研究機構（ CERN）の 大型ハドロン衝突型加速器で働くことを選んだ他の多くの米国人科学者の一人でした。彼はCERNのLHCで研究を続け、コンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）実験の共同設立者でもありました。その目的は、ほぼ光速で陽子を衝突させた後に残る安定した粒子を検出し測定することであり、^[20]標準モデルを超えた物理学を調査し、初期宇宙の状態を特定することを目指していました。

CMSはLHCを構成する4つの衝突点のうちの1つに建設され、ミューオンを高精度で検出し、4テスラの磁場を生成できる当時最強のソレノイド磁石となるように設計されています。^[21] CMSの国際協力は、200以上の研究所と50か国を組み込んだ、その種のものとしては最大規模のものになりました。^[22]この協力は成功を収め、CMSは最初の7 TeV陽子-陽子衝突、Xi _b重粒子の発見、ヒッグス粒子の発見に関与しました。^[23]デビッド・クラインは、CMSの創設への貢献により、これらの実験の貢献者としてリストされています。

クライン氏はまた、2005年にフェルミ国立加速器研究所にニュートリノ検出器の建設を提案した世界中の25以上の大学による共同研究にも関わっていた。提案された検出器は30キロトンのオフアクシス検出器で、 NuMIビームラインでνμ→νe振動を_研究する_目的だった。^[24] NuMIオフアクシスνe_出現（NOvA）共同研究は、51の機関から240人以上の科学者を集め、ニュートリノが宇宙の進化に及ぼした可能性のある影響を研究している^[25]

クラインは W 粒子と Z 粒子の発見者としては認められていないが、クラインとルビアが提案した陽子反陽子衝突型加速器の設置は、重い粒子の研究を通じて素粒子物理学の進歩につながった。クラインはCMS実験の共同創設者としての役割も果たし、ヒッグス粒子と Xi _b重粒子の発見だけでなく、最初の 7 TeV および 8 TeV 陽子-陽子衝突の貢献者としての地位も獲得した。

1970年代初頭、クラインはニュートリノと反ニュートリノから二重ミューオンが生成される現象を研究した。これらのニュートリノ現象は中間粒子の生成と崩壊を必要とするが、中間粒子は重いレプトンと半弱いベクトルボソンであると予測するモデルとは一致しなかった。^[26]

1975 年 2 月、クラインらは高エネルギーニュートリノと反ニュートリノの相互作用によって生成された新しい粒子の観測について報告しました。14 個の二ミューオン イベントが観測され、イベントの特性と三ミューオン イベントが存在しないことから、相互作用には新しい質量のある粒子の存在が必要であるように思われました。理論上の粒子は、これまで観測されていない量子数を持つと予想され、最終状態で 2 つのミューオンを持つためには弱く崩壊する必要があります。

2 番目のミューオンの発生源は、パイオンとカオンの崩壊によるものと主張された。クラインらは、「(i) 二重ミューオンの発生率、(ii) それらの電荷の符号の反対、(iii) それらが生成されたターゲット物質の密度の違い、(iv) ミューオンの運動量と横方向の運動量の分布」を観察することで、これに反する証拠を示した。

ニュートリノ相互作用が二ミューオン事象を引き起こすには、彼らがy粒子と呼ぶ新しい粒子の存在が必要でした。研究グループは、粒子がハドロンであれば、質量は2～4 GeVで、寿命は10 ⁻¹⁰ s未満でなければならないと理論化しました。別の理論では、ニュートリノ相互作用によって中性の重いレプトンが生成され、それが2つのミューオンとニュートリノ/反ニュートリノに崩壊すると考えられていました。

クラインの最も引用されている単独の論文は、「数百 GeV のμ ⁺ μ ^{−衝突型加速器」の潜在的な応用について述べている。彼の提案は、}標準モデルとSUSYモデルが 2 M _{z を}わずかに下回る質量で共鳴を示すという証拠に触発された。このエネルギー範囲では、 LHCで相互作用を正確に検出して測定することは非常に困難であった。ヒッグス粒子を探索するには、このような高エネルギーに到達する必要があった。μ ⁺ μ ⁻衝突型加速器は、当時の衝突型加速器よりも高い解像度で TeV 相互作用を調査する用途もあっただろう。^[27]

クラインはウィスコンシン大学マディソン校在学中、フランシス・ハルゼン博士と共同で宇宙線相互作用によるハドロン衝突を研究した。彼らの観測では、予測された指数関数的カットオフを超える高横方向運動量の二次粒子の証拠が示され、これは当時のCERNのデータと一致した。CERN ISRの実験では、ハドロン衝突の断面積が予想よりも大きいことが示されていた。このデータは、陽子のクォークモデルを支持するもので、小運動量の衝突は「表面」で散乱し、横方向運動量の指数関数的カットオフにつながる。しかし、高運動量の衝突はクォークとの相互作用を引き起こし、ハドロンジェットとともに高横方向運動量を生成する。彼らの研究は、宇宙線相互作用の全断面積の上昇とハドロンジェットの検出は、陽子の複合モデルの理論を支持すると結論付けた。^[28]

クラインは、ニュートリノを陽子で散乱させることで弱い中性カレント相互作用を研究することに時間を費やした。これまで、この相互作用の調査は、中性子バックグラウンドが高く、パイ中間子と陽子の分離が不十分であったため困難であった。クラインは、ニュートリノ誘起中性子を捕らえるのに十分な大きさの検出器を使用することでこれらの障害を軽減した。ニュートリノ誘起中性子は検出器の外側の領域で相互作用を通じて吸収または検出される可能性がある。ブルックヘブン国立研究所の広帯域ホーン集束ニュートリノビームを使用して、クラインらはニュートリノ-陽子弾性散乱の30イベントを観測し、弱い中性カレントを含むほとんどのゲージ対称性の破れモデルと一致する結果を得た。^[29]

アルゴンヌ国立研究所先進加速器試験施設で、クラインとそのグループは、高密度プラズマを通して21MeVの電子を励起してプラズマ航跡場を作り出し、加速され偏向した航跡場を測定した。これは、プラズマ内の強力な駆動ビームパルスの航跡で注入された目撃ビームパルスを加速することにより、プラズマ航跡場を直接測定した実験の最初の例の1つであった。彼らはまた、目撃ビームを使用して強い横方向の航跡場の存在を実証した。^[30]

XENON100プロジェクトは、クラインが関与した暗黒物質粒子の発見に特化した大規模な共同研究であった。2011年から2012年にかけて13か月間、グラン・サッソ国立研究所（LNGS）で実施された。この実験では、対象エネルギー領域で（5.3 ± 0.6）× 10 ^{−3イベント/（kg日keVee）という超低電磁背景が特徴であった。得られたデータは、} WIMPの質量の最も厳しい制限、m _χ >8 GeV/c ² 、 m _χ =55 GeV/c ²での最小核子 断面積σ=2.0×10 ⁻⁴⁵   cm ²を示した。^[31]

クラインは1993年にKeV範囲の宇宙エネルギーの蓄積を検出する共同研究に参加した。このグループは、WIMPの証拠を提供するのに十分な低エネルギーを検出できる液体キセノン検出器を提案した。提案された検出器は、シンチレーションと電荷信号技術を使用してアルファ粒子とガンマ線を区別することもできる。以前の検出器は背景放射能と電気ノイズを区別できなかったが、高い電荷検出効率と液体キセノンシンチレーションを備えたアクティブチャンバーを利用することで、このタイプの検出器がWIMPを直接測定する最も効果的な方法になるとクラインらは提案し、信じていた。^[32]

原始ブラックホールが寿命の終わりに爆発すると、無数の粒子が宇宙を飛び回る。1992年、クラインは、現在のモデルがこれらのバーストのハドロンおよびレプトンスペクトルをどの程度正確に記述しているか、また粒子密度の上限値を予測しているかを調査し始めた。彼は、ニューメキシコ州のWIPPサイトに建設予定の超新星バースト観測所を利用してガンマバーストとニュートリノバーストを検出する方法を提案した。^[33]

デイビッド・B・クラインは1400本以上の論文を発表しており、高エネルギー物理学や宇宙素粒子物理学のさまざまなジャーナルで9万回以上引用されています。彼はICARUSプロジェクト、CERNのCMS、UA1コラボレーションなど、数多くの共同研究に参加しました。以下は彼が貢献した最も引用され影響力のある研究の一部です。^[34]

• LHC の CMS 実験による 125 GeV の新しいボソンの観測、CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2012 年 7 月 31 日) 掲載誌: Phys. Lett. B 716 (2012) 30–61. doi:10.1016/j.physletb.2012.08.021
• CERN LHC における CMS 実験、 CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2008 年 8 月 1 日) JINST 3 (2008) S08004 に掲載。DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/S08004
• ^{S 1/2} = 540-GeVにおける孤立した大横方向エネルギー電子とそれに伴う失われたエネルギーの実験的観測、UA1 コラボレーション - G. Arnison 他 (1982 年 1 月 1 日) Phys. Lett. B 122 (1983) 103–116 に掲載。DOI: 10.1016/0370-2693(83)91177-2
• CERN SPS Collider、UA1コラボレーションにおける95 GeV/c ²付近の不変質量のレプトン対の実験的観測- G. Arnison、他 (1983年6月1日) Phys. Lett. B 126 (1983) 398–410に掲載。DOI: 10.1016/0370-2693(83)90188-0
• XENON100 の 225 日間のライブデータから得られた暗黒物質の結果、XENON100 コラボレーション - E. Aprile 他 (2012 年 7 月 25 日) 掲載先: Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 181301 DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.181301
• CMS 技術設計レポート、第 2 巻: 物理性能、CMS コラボレーション - GL Bayatian 他 (2007 年 10 月 23 日) J. Phys. G 34 (2007) 6, 995–1579 に掲載。DOI: 10.1088/0954-3899/34/6/S01
• CMS におけるジェットエネルギー較正と横方向運動量分解能の決定、CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2011 年 7 月 21 日) JINST 6 (2011) P11002 に掲載。DOI: 10.1088/1748-0221/6/11/P11002
• ^{S 1/2} = 7 TeVでの pp 衝突イベントにおける CMS ミューオン再構成のパフォーマンス、CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2012 年 6 月 19 日) JINST 7 (2012) P10002 に掲載。DOI: 10.1088/1748-0221/7/10/P10002
• CMS 実験による b クォーク ジェットの同定、CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2012 年 11 月 19 日) JINST 8 (2013) P04013 に掲載。DOI: 10.1088/1748-0221/8/04/P04013
• ^{S 1/2} = 7 TeVでの pp 衝突における標準モデルのヒッグス粒子の探索の統合結果、CMS コラボレーション - S. Chatrchyan 他 (2012 年 2 月 7 日) Phys. Lett. B 710 (2012) 26–48 に掲載。DOI: 10.1016/j.physletb.2012.02.064

• 弱い中性電流：電弱力の発見、David B. Cline 著。（1997 年 1 月 1 日）ISBN  9780201933475
• B/K 崩壊と新しいフレーバー ファクトリー、 David B. Cline (編集者) 著、 1998 年 3 月 27 日アメリカ物理学会発行。ISBN 9781563960550 
• CP の破れと美のファクトリーおよび物理学における関連問題、David B. Cline (寄稿者)および Alfred Fridman (編集者) 著。1991 年 1 月 1 日に New York Academy of Sciences より出版。ISBN 9780897666237 
• クォークとレプトンの第 4 族、第一国際シンポジウム、David B. Cline (寄稿者) と Amarjit Soni 著。1987 年 1 月 1 日にニューヨーク科学アカデミーから出版。ISBN 9780897664356 
• 基本力とゲージ理論の統一、 David B. Cline 著。1980 年 11 月 1 日、Harwood Academic Pub. 発行。ISBN 9780906346006 

クライン氏は、 Scientific American誌に合計 7 つの記事を執筆しました。以下に要約します。

• デイビッド・B・クラインの「暗黒物質の探査」は、2003年3月号のサイエンティフィック・アメリカン誌に掲載された記事であり、デイビッド・クラインの同誌への7番目で最後の寄稿である。この記事は、暗黒物質の探査の複雑さと、その発見の進歩に焦点を当てている。^[36]
• デイビッド・B・クライン著の「高エネルギー現象を低エネルギーで観測する方法」は、1994年9月号のサイエンティフィック・アメリカン誌に掲載された。クラインは、フレーバー変更中性電流（FCNC）の概念を導入することでこの研究を開始した。これは、電荷を変えずにフェルミオンのフレーバーを変える相互作用の一種であり、標準モデルを超えた新しいエキゾチックな粒子によって引き起こされると理論化されている。^[37]
• デイビッド・B・クライン著「真実と美を超えて：第4の粒子族」は、1988年8月号のサイエンティフィック・アメリカンに掲載され、特定の粒子崩壊で見られる電荷パリティの破れにより、クォークとレプトンの第4の族が存在する可能性が高い理由を説明しています。^[38]
• デイビッド・B・クライン、カルロ・ルビア、サイモン・ファン・デル・メールによる「中間ベクトルボソンの探索」は、1982年3月のサイエンティフィック・アメリカン誌に掲載され、弱い核力を運ぶ役割を果たす理論上の巨大な素粒子について詳細に研究している。^[39]
• デイビッド・B・クライン、アルフレッド・K・マン、カルロ・ルビアが1976年1月号のサイエンティフィック・アメリカン誌に発表した「素粒子の新族の探索」では、これまで観測されていなかった物質の特性を示す粒子の発見について説明されており、研究者たちはそれが既存の族には当てはまらないと信じています。^[40]
• デイビッド・B・クライン、アルフレッド・K・マン、カルロ・ルビアが執筆した「弱い中性電流の検出」は、サイエンティフィック・アメリカン誌1974年12月号に掲載された論文で、弱い核力と電磁力のつながりを裏付ける、これまで観測されていなかったWボソンとZボソンの相互作用に焦点を当てている。^[41]
• 1967年12月号のサイエンティフィック・アメリカンに掲載されたデイビッド・B・クラインとヴァーノン・D・バーガーの著書「高エネルギー散乱」では、基本粒子の特性を研究するためには何が必要かを説明しています。高エネルギーで粒子を加速して衝突させることで、研究者は泡箱を使って、前の粒子を構成していた基本粒子を観察することができます。^[42]

デヴィッド・クラインの最後のインタビュー記録は、ヴィンセント・トラン監督の映画『ワン・アンダー・ザ・サン』（2017年）の一部で、SF映画で「絶望的な宇宙ミッションの唯一の生存者が、末期の病気の娘との再会を試みる。しかし、政府は彼女が並外れた力を持って地球に戻ってきたと信じ、秘密施設への監禁を命じる」という内容である。^[43]映画にはクラインの最後のインタビュー記録が収められており、その中で彼は宗教、宇宙の起源と生命の起源との関係、ヒッグス粒子について語っている。彼は最も注目すべきことに、素粒子のみで構成された宇宙の旅と、これらの素粒子を研究して宇宙の起源とビッグバンを調査する方法を考察している。^{[44]彼は、} スティーブン・ホーキングが著書『ザ・グランド・デザイン』で広めた議論
に従い、宇宙は自己創造されたという考えについて熟考している。クラインは、物質の質量を説明するためにはヒッグス粒子が宇宙の始まりに存在していたに違いなく、それがなければ宇宙は自己創造され得なかったと主張した。彼は、この話題は証拠の欠如と他の理論を覆す力があるため、宗教の境界線上にあることを認めている。 ^{[44]生命の起源に関して、クラインは}ヒッグス粒子をビッグバンに 結び付けようとしている。彼は、すべてのアミノ酸が左利きの分子であり、すべての核酸が右利きの分子であるという偶然を述べることから始めている。彼は、地球上にあるアミノ酸の任意の組み合わせによって生命が創造された可能性があるが、生命が21種類の酸に落ち着いたのは偶然であると主張している。クラインはオーストラリアで発見された隕石に言及し、マーチソン隕石に言及している。彼は、隕石の体積が大きかったため、隕石の中心核は外層を損傷した放射線から無傷のまま残ったと説明している。これにより、地球上でこれまで発見されていたものとは異なる、70種類以上の新しいアミノ酸が発見されました。彼はこの例を使って、アミノ酸のさまざまな組み合わせが生命の形成につながり、生命の共通の起源の必要性につながる可能性があることを説明しています。超新星爆発は10 ^57個のニュートリノを放出し、周囲の物質に左利きを引き起こす可能性があり、超新星ニュートリノアミノ酸処理モデルにより、^[45]左利きのアミノ酸の生成につながり、アミノ酸工場と呼ばれています。クラインは、私たちの体内のすべてのアミノ酸は宇宙から来たものであり、生命の起源を宇宙の初期に結び付けるという信念を述べて結論付けています。^[44]

マーク・ボーエン著『氷の中の望遠鏡：南極で新たな天文学を発明する』は、南極のアイスキューブ計画への関与に基づいている。デイビッド・クラインもこの計画での役割からこの本の中で言及されている。クラインはアムンゼン・スコット南極基地のアイスキューブニュートリノ観測所を通じて高エネルギー宇宙ニュートリノの探索に携わっていた。彼はニュートリノ相互作用の専門家としてこの計画に参加し、この計画の創設者であるフランシス・ハルゼンの最も重要な指導者の一人と言われている。 ^[19]

ゲイリー・タウベス著『ノーベル賞の夢：権力、欺瞞、そして究極の実験』では、 UA1 実験とUA2実験の協力者としてのクラインの貢献について言及されている。UA1 実験は最終的にW ボソンと Z ボソンを発見し、本のタイトルの由来となった賞を受賞した。

デビッド・クラインは2度結婚した。2015年6月27日、前日の午後にキャンパス内で心臓発作を起こし、UCLAメディカルセンターで亡くなった。遺族には5人の子供と8人の孫がいる。^[11]