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深層地下ニュートリノ実験( DUNE ) は、米国で建設中のニュートリノ実験であり、イリノイ州のフェルミ国立加速器研究所に近距離検出器、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設(SURF) に遠距離検出器が設置され、フェルミ国立加速器研究所で生成されたニュートリノを観測します。フェルミ国立加速器研究所の生成施設から数兆個のニュートリノからなる強力なビームが1,300 キロメートル (810マイル)の距離を越えて送られ、宇宙におけるニュートリノの役割を理解することを目指します。[ 1 ] [ 2 ] 1,000 人以上の協力者がこのプロジェクトに参加しています。[ 1 ]この実験は 20 年間のデータ収集期間を想定して設計されています。[ 3 ]
2014年、素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネル（P5）はこれを「その期間内で最も優先度の高いプロジェクト」と位置付けた（勧告13）。[ 9 ]これらの目標の重要性から、他国、特に2027年にデータ取得を開始する予定の日本のハイパーカミオカンデ実験など、競合するプロジェクトの提案が出された。DUNEプロジェクトはスケジュールの遅延とコストが20億ドル未満から30億ドル以上に増加し、Science誌やScientific American誌の記事で「問題を抱えている」と評された。[ 10 ] [ 11 ] 2022年、DUNEはニュートリノビームの開始日を2030年代初頭に設定し、プロジェクトは現在段階的に進められている。[ 10 ] [ 11 ]
DUNEのビームラインは「ロングベースラインニュートリノ施設」（LBNF）と呼ばれています。[ 12 ] 最終設計では、メインインジェクター加速器からの2.4MWの陽子ビームをLBNFビームラインに照射し、磁気ホーンを介して崩壊パイプに磁気的に集束されたパイ中間子とカオンを生成し、そこでニュートリノに崩壊させます。ニュートリノは地球を直線的に通過し、中間地点付近で地下約30キロメートル（19マイル）に達し、サウスダコタ州リードの地下研究所に到達します。
ニュートリノを地下研究所に向けるには、ビームを急角度で地中に向けなければなりません。LBNFの建設には、圧縮土でできた高さ58フィート（18メートル）の丘が含まれ、そこから長さ680フィート（210メートル）のトンネルが伸び、そのトンネル内には長さ635フィート（194メートル）の粒子崩壊パイプが設置されます。[ 13 ]この丘は、「改良されたトリチウム管理」に不可欠であり、「この新しい高出力ビーム施設の設計における主要な焦点」となっています。[ 14 ]ビームラインで生成されたトリチウムは地表の地下水に流入する可能性がありますが、フェルミラボではその量は規制で認められているレベルをはるかに下回るレベルに維持されています。[ 15 ]
LBNFに1.2 MWの陽子を供給するためには、フェルミラボ加速器チェーンからの陽子供給を60%増加させる陽子改善プロジェクトの第2フェーズ（「PIP II」）を完了する必要がある。 [ 16 ] 2022年時点でのこのフェルミラボのアップグレードの費用は12億8000万ドルである。[ 17 ]したがって、PIP IIとDUNEフェーズIの合計費用は40億ドルを超える。PIP IIプロジェクトは2022年4月に建設開始の承認を受け、2028年までに完了する予定である。[ 16 ]
DUNE遠方検出器の設計は、最先端の液体アルゴン時間投影チェンバー（LArTPC）技術に基づいています。遠方検出器は、地表から1.5キロメートル（4,850フィート）下の地下深くに設置される、総体積70キロトンの液体アルゴンで構成されます。 [ 18 ]現在の設計では、液体アルゴンは4つのLArTPCモジュールに分割され、各モジュールの「フィデューシャルボリューム」（物理分析に使用できる体積で、検出器の端付近での相互作用を避けるために総体積よりも小さくなっています）は10キロトンです。遠方検出器用の空洞を作るために、約80万トンの岩石が掘削されます。[ 19 ]
LArTPCは比較的新しい技術であるため、広範な研究開発とプロトタイプ作成が必要とされてきた。[ 20 ]プロトタイプ検出器はCERNで構築され、テストされている。[ 21 ] 2つのプロトタイプのうち最初の単相ProtoDUNE（CERN実験NP04 [ 22 ]）は、2018年9月に最初の粒子トラックを記録した。[ 23 ] CERNのDUNEへの参加は、CERNのニュートリノ研究の新たな方向性を示しており[ 24 ]、これらの実験は研究所の研究プログラムにおけるニュートリノプラットフォームの一部として言及されている。[ 25 ]
MicroBooNE実験とICARUS実験の検出器は、フェルミラボのプログラムにある100トン規模のLArTPCのペアであり、DUNE検出器開発のための研究開発プラットフォームとしても機能しています。[ 26 ]これらの実験は重要な情報を提供してきましたが、DUNEモジュールよりも20倍以上小さいです。MicroBooNEは、2015年から2021年までデータを取得した、最も長く連続稼働しているLArTPC検出器です。これは、DUNEで想定されている20年の期間よりもかなり短いものです。
DUNE近距離検出器は、フェルミラボ敷地内のLBNF下流、ニュートリノ生成場所から約600メートル（2,000フィート）離れた場所に設置されます。DUNE近距離検出器は、複数のサブ検出器が並んで配置されます。そのうちの1つ（SAND）はニュートリノビーム軸に沿って設置されます。他のサブ検出器（NDLArとNDGar）は可動式で、ビームに垂直な方向に移動させて、異なる生成角度のニュートリノを検出できます。[ 27 ] 主な目的は、LBNFラインでニュートリノが生成される際のビームを監視し、特性を把握することで、DUNE遠距離検出器での相互作用率を正確に予測することです。[ 28 ]
このプロジェクトは当初、ロングベースラインニュートリノ実験（LBNE ）と呼ばれる米国限定のプロジェクトとして開始されました。2012年から2014年頃には、コスト削減のため、地表近くの検出器を用いたデスコープが検討されました。しかし、素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネル（P5）は、2014年の報告書で、LBNEが進めている研究活動は「フェルミラボをホストとする、国際的に調整され、国際的に資金提供されるプログラムとして、新たな国際協力の下で再編成されるべきである」と結論付けました。[ 9 ] LBNE協力は、P5が推奨した新たな協力が2015年1月22日に結成された直後の2015年1月30日に正式に解散しました。 [29][ 30 ]この新たな協力は、ディープアンダーグラウンドニュートリノ実験（DUNE）という名称を選びました。[ 31 ]
P5の国際的関与拡大の呼びかけに応え、2022年時点で30か国以上の科学者がLBNFとDUNEの建設に関わっていた。[ 32 ] [ 33 ] 2017年、英国の科学技術施設評議会（STFC）はDUNEとLBNFに6500万ポンドの投資を発表した。[ 34 ] 2022年までに、現物拠出を提供する国際パートナーには CERN、ブラジル、スイス、ポーランドも含まれており[ 35 ]、30億ドルのプロジェクトに対する外国からの拠出総額は5億7000万ドル、つまり約20%だった。[ 36 ]
2024年8月、科学者たちが米国エネルギー省フェルミ国立加速器研究所のDUNEプロトタイプ粒子検出器を使用して最初のニュートリノを検出したと発表された。[ 37 ]
LBNEプロジェクトの当初の範囲とコストは、エネルギー省の「重要決定」プロセスのステップ1で確立されました。CD-1の承認は2012年12月に行われました[ 38 ]。承認された設計では、17億ドルかかった物理学者の要求が大幅に縮小されました。CD-1の承認は8億5000万ドルの予算で、提案された近距離検出器は含まれておらず、遠距離検出器は地下ではなく地表に設置することが推奨されました。
地下検出器を含むより堅牢なプロジェクト範囲に関するP5の勧告を受けて、プロジェクトは2015年11月にLBNF/DUNEという名称で最初のCD-1再確認（「CD-1R」）を受けました。LBNF/DUNEの範囲は2016年の概念設計報告書で公表され、最初の2つの遠方検出器モジュールは2024年に完成し、ビームは2026年に稼働し、4つのモジュールは2027年に稼働することが求められました。 [ 3 ] DOEはプロジェクトの費用を12億6000万ドルから18億6000万ドルと見積もりました。[ 39 ] CD-1Rの時点で、DOEは、予測されるベースラインコストの上昇が27億9000万ドル、つまり範囲の上限の50%を超える場合、CD-1Rを再検討する必要があると要求しました。この状況は2020年までにすでに現実のものとなっていました。[ 39 ]
2021年11月、エネルギー省（DOE）科学局の職員は、高エネルギー物理諮問委員会に対し、 DUNEは当時5億7000万ドルの国際資金を確保していたものの、プロジェクトの総費用がCD-1R再審査（CD-1RRと呼ばれる）の発動基準に達していると報告した[40 ][ 41]。2021年1月と6月に行われたDOEの審査では、遠方検出器2つと近方検出器1つのみで構成される縮小版のプロジェクトでさえ、DOEが許容する総プロジェクト費用増加の上限である27億5000万ドルを超えることが結論付けられた。CD-1RRプロセスは、2022年半ばまでに改善された費用範囲とスケジュールを確立することであった[ 40 ] 。このプロジェクトに対する議会予算が要求額を下回った経緯があるため、2021年11月の同じ会議で、DOEは「科学局が支持できる保守的な（資金調達の）プロファイル」を提示した[ 40 ]。
2022年3月、CD-1RRプロセスの一環として、DOEはプロジェクトが2段階で完了すると発表した。[ 10 ] [ 11 ]段階的計画[ 42 ]は、素粒子物理学の将来を計画するために米国物理学会の粒子・場部門（DPF）が定期的に開催する演習であるスノーマスプロセス中に発表された。名目上、フェーズIは最初の2つの遠方検出器モジュール、近方検出器システムのサブセット、および1.2MWビームライン[ 42 ]で構成され、推定31億ドルの費用で2032年までに完了する予定である。[ 35 ] [ 10 ]
CD-1RRプロセスは2023年2月16日に完了し、プロジェクトの推定費用は33億ドル、許容される上限費用範囲は37億ドルでした。[ 43 ] この費用を満たすため、プロジェクト完了時には検出器モジュール2は液体アルゴンで40%しか満たされておらず、そのため物理学にすぐには使用できません。[ 44 ] 33億ドルの費用には、DUNEに必要なPIP IIアップグレードの約10億ドルの価格や、2023年2月時点でDUNEのために国際パートナーから約束された6億6000万ドルは含まれていません。[ 45 ] これらの資金を含めると、CD-1RRレビュープロセスの終了時点でのLBNF/DUNEフェーズIの総費用は50億ドル近くになります。
フェーズ II では、さらに 2 つの遠方モジュールを追加し、近方サイトのサブ検出器群を完成させ、ビーム出力を 2.4 MW にアップグレードすることで、全範囲が完成します。[ 42 ]フェーズ II のコストは、フェーズ I の 31 億ドルの見積もり[ 10 ]を超え、少なくとも 9 億ドルの追加費用がかかると推定されています。[ 46 ]物理学者たちは、この 2 段階の計画により DUNE が主要な競合相手であるハイパー カミオカンデ実験[ 11 ]に大きく遅れをとる可能性があり、フェーズ II が建設されない可能性もあることを懸念しています。[ 10 ]
プロジェクトマネージャーのクリス・モッセイは、2023年3月にフェルミラボで開催された2023年素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネルの会議で、コスト上昇の原因について報告した。[ 47 ] 彼は、その原因は以下の通りだと述べた。
上記で挙げたプロジェクト管理上の問題以外にも、コスト上昇の一因となった社会学的問題も挙げられる。
DUNEの主な競合相手はハイパーカミオカンデ（Hyper-K）実験である。[ 48 ] Hyper-Kは、日本陽子加速器研究施設（J-PARC ）ニュートリノ源から295 km（183マイル）離れた場所に建設中の総体積260キロトンの検出器である。建設は2027年までに完了すると推定されている。日本政府は厳格なコスト管理を行っており、日本のコストが2016年の当初の見積もりである約6億ドルを超えることを許可していない。[ 48 ] このプロジェクトには、国際的に約1億5000万ドルの拠出金が寄せられている。[ 48 ] したがって、Hyper-Kのコストは、2010年代初頭に承認されたLBNE（DUNEの前身）のCD-1コストとほぼ同額である。
それに対し、DUNEフェーズI検出器ははるかに小型で、わずか17キロトン（kt）であり、フェルミラボのニュートリノ源から検出器までの距離は1,300km （810マイル）と長い。このため、DUNEにおける相互作用の発生率はHyper-Kよりもはるかに低くなると予想される。また、Hyper-Kの計画は予定通りに進んでいるため、検出器はDUNEの現在の予測よりも4～5年早くデータ収集を開始できると見込まれる。
2022年6月15日に発表された、3種類のニュートリノ振動に関するSnowmass 2021トピカルグループレポートの最終報告書[ 49 ] では、CP違反に関する5σ（発見レベル）の結果が、Hyper-Kからは2034年、DUNEからは2039年に発表される可能性があると推定されている。Hyper-KはDUNEよりもベースラインが短く、質量順序を決定する能力はニュートリノの移動距離に依存するため、DUNEはHyper-Kよりも先に質量順序の5σの理解に到達できる可能性がある[ 48 ]。さらに、異なる標的原子核のため、銀河の超新星爆発など、さまざまなフレーバーの天体ニュートリノに対する感度を含め、実験プログラムの多くの部分で相補性がある。
フェルミラボ所長のメルミンガ氏は、2022年6月に下院科学委員会で行ったプレゼンテーションで、DUNEが競合他社に先を越される可能性について質問された。[ 50 ]これに対し、メルミンガ氏は、両プロジェクトは相互補完的であり、DUNEは液体アルゴン技術により、水ベースのHyper-K水検出器で達成できるよりもニュートリノ相互作用のより正確な再構成を提供すると主張した。[ 50 ] しかし、メルミンガ氏は、なぜより正確な再構成が必要なのかを説明しなかった。
サンフォード地下研究施設は、遠距離検出器モジュールを収容するために、2001年末に操業を停止したホームステーク鉱山（サウスダコタ州）の施設を利用し、拡張している。DUNE遠距離検出器空洞の掘削は2017年7月21日に開始された。 [ 51 ] [ 19 ] 7年後の2024年8月15日、空洞の完成が発表された。[ 52 ]
地下でのプロジェクトの複雑さと、地表での粉塵放出の問題の両方が原因で、完成が遅れた。地下から取り除かれた岩石は、サウスダコタ州リード市の中心部にあるオープンカットに堆積された。2021年6月、DUNE建設のためにオープンカットから舞い上がった粉塵の柱が、近隣の企業、住宅所有者、公園利用者からの苦情につながった。[ 53 ]フェルミラボの管理側からの適切な対応がないまま、苦情は2022年春まで続き、その結果、サウスダコタ州科学技術局は2022年3月31日に掘削を中止した。[ 54 ]
その後の調査で、フェルミラボの経営陣は手順の不備を認め、黒粉が露天掘り坑から流出するのを防ぐための新たな対策を講じた。[ 55 ] [ 56 ]これらの保証が整い、フェルミラボは2022年4月8日に岩石投棄を再開することが許可された。[ 56 ] DUNE地下検出器の空洞の掘削は2024年8月15日に完了した。[ 52 ]
DUNEは建設が続けられ、最初の検出器モジュールの稼働開始は2028年に予定されている。[ 57 ] 2026年4月、この地下建設プロジェクトは、掘削段階の成功裡の完了が認められ、地下建設協会の年間最優秀プロジェクト賞を受賞した。[ 58 ]