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 LHC実験と前段階の加速器の計画。 | |
| LHC実験 | |
|---|---|
| アトラス | トロイダルLHC装置 |
| コンテンツ管理システム | コンパクトミューオンソレノイド |
| LHCb | LHC-ビューティー |
| アリス | 大型イオン衝突型加速器実験 |
| トーテム | 全断面積、弾性散乱および回折解離 |
| LHCf | LHC フォワード |
| モエダル | LHC のモノポールおよびエキゾチック検出器 |
| ファサー | 前方検索実験 |
| SND | 散乱およびニュートリノ検出器 |
| LHC前駆加速器 | |
| pとPb | 陽子（Linac 4）および鉛（Linac 3）用の線形加速器 |
| （マークなし） | 陽子シンクロトロンブースター |
| 追伸 | 陽子シンクロトロン |
| スペクトラム | スーパープロトンシンクロトロン |
FASER（ForwArd Search ExpeRiment）は、2022年に欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（ LHC）で行われる9つの素粒子物理学実験のうちの1つです。新しい軽い素粒子と弱く結合した素粒子の探索と、高エネルギー衝突型ニュートリノの相互作用の検出と研究を目的としています。[1] 2023年に、FASERとSND@LHCは衝突型ニュートリノの初観測を報告しました。[2]
この実験は、 ATLAS実験で使用された相互作用点から480メートル下流にあるサービストンネルTI12に設置されています。 [3]このトンネルは、以前はSPSからのビームをLEP加速器に注入するために使用されていました。この場所で、FASER実験は、ニュートリノと可能性のある新しい粒子の両方の強力で高度にコリメートされたビームに配置されます。さらに、約100メートルの岩とコンクリートでATLASから遮蔽されており、バックグラウンドが低い環境を提供します。FASER実験は2019年に承認されました。[4] [5]検出器はその後2年間で構築され、2021年に設置されました。[6]実験は、2022年夏のLHCのRun 3の開始時にデータの取得を開始しました。[7] [8] [9]
新しい物理学の探求
FASER実験の主な目的は、暗黒光子、アクシオンのような粒子、ステライルニュートリノなど、まだ発見されていない新しい軽い粒子や弱い相互作用をする粒子を探すことです。[10] [11]これらの粒子が十分に軽い場合、ハドロンのまれな崩壊で生成される可能性があります。したがって、そのような粒子は衝突軸に沿って前方に主に生成され、高度に平行化されたビームを形成し、LHC陽子ビームのエネルギーの大部分を継承できます。さらに、標準モデル粒子との結合が小さくブーストが大きいため、これらの粒子は長寿命で、標準モデル粒子に崩壊する前に相互作用することなく数百メートルを容易に移動できます。これらの崩壊は、FASERが検出することを目指している高エネルギー粒子の出現という壮大な信号につながります。
2023 年 3 月、FASER コラボレーションはダーク フォトンの探索に関する最初の結果を報告しました。2022 年のデータではダーク フォトンと一致する信号は見られず、これまで制約がなかったパラメータ空間に制限が設定されました。
ニュートリノ物理学
LHC はこれまでに建設された中で最も高エネルギーの粒子加速器であり、制御された実験室環境で生成される最も高エネルギーのニュートリノの発生源でもあります。実際、LHC での衝突により、あらゆるタイプの高エネルギーニュートリノが大量に発生し、ビーム衝突軸の周囲で高度にコリメートされて FASER の位置を通過します。
2021年、FASERコラボレーションは、衝突型ニュートリノ候補の最初の検出を発表しました。[12] [13] [14] [15] [16]この発見に使用されたデータは、ターゲット質量が11kgの小型エマルジョンパイロット検出器によって収集されました。検出器はサービストンネルTI18に設置され、データは2018年のLHC Run 2中のわずか4週間収集されました。この成果は衝突型ニュートリノの発見には至りませんでしたが、LHCで専用のニュートリノ実験を実施する可能性と実現可能性を浮き彫りにしました。
2023年にFASERコラボレーションは衝突型ニュートリノの初の観測を発表し[17] [18] [19]、[2]出版した。このために彼らは、ミューニュートリノの相互作用から予想されるように、FASERv検出器容積の中央部分から高運動量の軌跡が出現し、最も上流のベート層に活動がないイベントを探索した。この探索は電子検出器コンポーネントのみを使用して実行された。
これらのニュートリノ相互作用をより詳細に研究するために、FASERには専用のFASERvサブ検出器（FASERnuと発音）も含まれています。[20] [21]数年間の公称稼働期間中に、約10000個のニュートリノがFASERνによって記録されると予想されています。[22]これらのニュートリノは通常TeV規模のエネルギーを持っているため、FASERvは現在制約されていない領域でニュートリノの相互作用を研究することができます。
FASERnu は、以下の物理領域を探索することができます。
- FASERv は、TeV エネルギー スケールで 3 種類のニュートリノ フレーバーすべてについて、ニュートリノ原子核相互作用断面積を測定します。ニュートリノ フレーバーを識別する能力により、ニュートリノ散乱におけるレプトン フレーバーの普遍性をテストできるようになります。
- FASERv は、最も多くのタウニュートリノ相互作用を観測することができ、この捉えにくい粒子をより詳細に研究することができます。
- FASERv は、これまで調査されたことのないエネルギースケールで、ミューオンニュートリノ相互作用の非常に正確な測定を実行します。これらの測定により、陽子の構造を調べ、パートン分布関数を制限することができます。
- FASERv におけるニュートリノは、主にパイ中間子、K中間子、チャームハドロンの崩壊で生成されます。したがって、ニュートリノ フラックスの測定により、他の LHC 実験ではアクセスできない運動学的領域におけるこれらの粒子の生成を制限できます。これにより、天体粒子物理学実験に新しい重要な入力が提供されます。
検出器
FASERの前端にはFASERνニュートリノ検出器が設置されている。これはニュートリノ相互作用の標的材料としてタングステン板が挟まれた何層もの乳剤フィルムで構成されている。FASERνの後ろ、主検出器の入口にはプラスチックシンチレータで構成された荷電粒子ベートが設置されている。[23] [24]この後に長さ1.5メートルの空の崩壊容積と長さ2メートルの分光計 が続き、0.55 Tの磁場内に設置されている。分光計は3つの追跡ステーションで構成されており、長寿命粒子の崩壊で生成された荷電粒子を検出するため、高精度のシリコンストリップ検出器の層で構成されている。端には電磁カロリメータが設置されている。
参考文献
- ^ 「大型ハドロン衝突型加速器のFASER検出器が宇宙の隠れた物質についての手がかりを探る」UWニュース。2019年3月5日。 2021年4月11日閲覧。
- ^ ab Worcester, Elizabeth (2023年7月19日). 「衝突型ニュートリノ物理学の夜明け」.物理学. 16 :113 . Bibcode :2023PhyOJ..16..113W. doi :10.1103/Physics.16.113 . 2023年7月23日閲覧。
- ^ 「LS2レポート：FASER誕生」CERN . 2021年3月25日閲覧。
- ^ 「FASER: CERN、長寿命のエキゾチック粒子を探す新たな実験を承認」CERN . 2019年12月19日閲覧。
- ^ 「FASERの新しい検出器は、衝突型加速器で初めてニュートリノを捕らえると期待されている」。CERN 。 2019年12月19日閲覧。
- ^ 「FASER検出器の設置」。EPニュース。 2023年3月17日閲覧。
- ^ ガリスト、ダニエル。「大型ハドロン衝突型加速器、大幅なアップグレード後に新たな粒子を探る」。サイエンティフィック・アメリカン。 2023年3月17日閲覧。
- ^ リバプール大学。「大型ハドロン衝突型加速器、記録破りの稼働で初のデータを取得」。phys.org 。 2023年3月17日閲覧。
- ^ 「LHC Run 3: 記録的なエネルギーでの物理学が明日始まる」ATLAS . 2023年3月17日閲覧。
- ^ Feng, Jonathan L.; Galon, Iftah; Kling, Felix; Trojanowski, Sebastian (2018-02-05). 「FASER: LHC での前方探索実験」. Physical Review D . 97 (3): 035001. arXiv : 1708.09389 . doi :10.1103/PhysRevD.97.035001. ISSN 2470-0010. S2CID 119101090.
- ^ Ariga et al. (FASER Collaboration) (2019-05-15). 「FASERの物理学は長寿命粒子に到達」. Physical Review D . 99 (9): 095011. arXiv : 1811.12522 . Bibcode :2019PhRvD..99i5011A. doi :10.1103/PhysRevD.99.095011. ISSN 2470-0010. S2CID 119103743.
- ^ FASER コラボレーション;アブレウ、ヘンソ。アフィク、ヨアヴ。アンテル、クレア。荒川、ジェイソン。有賀、昭隆。有賀智子ベルンロッホナー、フロリアン。ボエク、トビアス。ボイド、ジェイミー。ブレナー、リディア。カドゥ、フランク。キャスパー、デイビッド W.キャバナー、シャーロット。セルッティ、フランチェスコ (2021-11-24)。 「LHCにおける最初のニュートリノ相互作用候補」。物理的レビュー D . 104 (9): L091101。arXiv : 2105.06197。ビブコード：2021PhRvD.104i1101A。土井: 10.1103/PhysRevD.104.L091101。
- ^ 「大型ハドロン衝突型加速器で相互作用するニュートリノが捉えられる | サイエンスニュース」 2021年5月26日. 2023年3月17日閲覧。
- ^ 「UCI主導の物理学者チームが大型ハドロン衝突型加速器でニュートリノの兆候を検出」UCIニュース。2021年11月24日。 2023年3月17日閲覧。
- ^ 「CERNの粒子加速器で初めてニュートリノを検出」エルサレムポスト | JPost.com 2023年3月17日閲覧。
- ^ ドーミニー、ブルース。「スーツケースサイズのニュートリノ検出器が大型ハドロン衝突型加速器で大発見」フォーブス。 2021年11月26日閲覧。
- ^ 「カリフォルニア大学アーバイン校主導のチームが、粒子加速器で生成されたニュートリノを初めて検出」UCIニュース。2023年3月20日。 2023年3月20日閲覧。
- ^ 「粒子加速器でニュートリノを初めて検出」ScienceDaily . 2023年3月20日閲覧。
- ^ 「DESYニュース：研究チームが粒子加速器で生成された初のニュートリノを検出」www.desy.de 。 2023年3月21日閲覧。
- ^ Abreu et al. (FASERコラボレーション) (2020). 「LHCでのFASERによる高エネルギー衝突型ニュートリノの検出と研究」.欧州物理ジャーナルC. 80 ( 1):61 . arXiv : 1908.02310 . Bibcode :2020EPJC...80...61A. doi :10.1140/epjc/s10052-020-7631-5. S2CID 199472668.
- ^ クリシュナ、チェトナ。「LHCでニュートリノを捕らえる」。シンメトリーマガジン。 2023年3月17日閲覧。
- ^ Kling, Felix; Nevay, Laurence J. (2021-12-29). 「LHCでの前方ニュートリノフラックス」. Physical Review D . 104 (11): 113008. arXiv : 2105.08270 . Bibcode :2021PhRvD.104k3008K. doi :10.1103/PhysRevD.104.113008.
- ^ Ariga et al. (FASER Collaboration) (2018-11-26). 「FASER: LHCでの前方探索実験に関する趣意書」. arXiv : 1811.10243 [physics.ins-det].
- ^ Ariga et al. (FASER Collaboration) (2018-12-21). 「FASERの技術提案: LHCでの前方探索実験」. arXiv : 1812.09139 [physics.ins-det].
外部リンク
- FASER公式ウェブサイト
- INSPIRE-HEPにおけるFASER実験記録
北緯46°14′09″ 東経6°03′18″ / 北緯46.23583° 東経6.05500° / 46.23583; 6.05500