ガルガメル

ガルガメルは、 1970年から1979年まで欧州原子核研究機構（ CERN）で稼働していた重液体 バブルチャンバー 検出器である。この検出器は、1970年から1976年まで陽子シンクロトロン（PS ）からのビームで生成されたニュートリノと反ニュートリノを検出するように設計され、その後スーパー陽子シンクロトロン（SPS）に移された。^[1] 1979年にバブルチャンバーに修復不可能な亀裂が発見され、検出器は廃止された。現在はCERNの「ミクロコスモス」展示の一部として一般公開されている。

ガルガメル実験は中性電流が発見された実験として有名です。1973年7月に発見された中性電流は、 Z ⁰ボソンの存在を示す最初の実験的証拠であり、結果として電弱理論の検証に向けた大きな一歩となりました。

ガルガメルは、泡箱検出器自体、または同名の高エネルギー物理学実験の両方を指すことがあります。名前自体は、フランソワ・ラブレーの16世紀の小説『ガルガンチュアとパンタグリュエルの生涯』に由来しており、その中では巨人ガルガメルがガルガンチュアの母親です。^[1]

1960年代の一連の別々の研究で、シェルドン・グラショー、スティーブン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムは、素粒子間の電磁気的相互作用と弱い相互作用を統合する理論、すなわち電弱理論を考案し、1979年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。^{[2]彼らの理論は、}弱い力の伝播子としてW ^±ボソンとZ ⁰ボソンの存在を予言しました。W ^±ボソンは正電荷(W ⁺ )または負電荷(W ⁻ )を持ちますが、Z ⁰には電荷がありません。Z ⁰ボソンの交換により、運動量、スピン、エネルギーが伝達されますが、粒子の量子数(電荷、フレーバー、重粒子数、レプトン数など)は影響を受けません。電荷の移動がないため、Z ^{0の交換は「}中性電流」と呼ばれます。中性電流は電弱理論によって予言されていました。

1960年にメルビン・シュワルツは高エネルギーニュートリノビームを生成する方法を提案した。^[3]その後、このビームは1962年にシュワルツらによってブルックヘブンで行われた実験で使用され、ニュートリノにはミューニュートリノと電子ニュートリノという異なる種類があることが示された。シュワルツはこの発見により1988年のノーベル物理学賞を共同受賞した。 ^[4]シュワルツのアイデア以前は、弱い相互作用は素粒子、特にストレンジ粒子の崩壊においてのみ研究されていた。これらの新しいニュートリノビームを使用することで、弱い相互作用の研究に利用できるエネルギーが大幅に増加した。ガルガメル実験は、PSからの陽子ビームで生成されたニュートリノビームを利用した最初の実験の1つであった。

泡箱は単に過熱された液体で満たされた容器です。この容器を通過する荷電粒子はイオン化軌道を残し、その周りで液体が蒸発して微細な泡を形成します。容器全体は一定の磁場の影響を受け、荷電粒子の軌道が曲がります。曲率半径は粒子の運動量に比例します。軌道は写真に撮られ、その軌道を調べることで検出された粒子の特性を知ることができます。ガルガメル泡箱を通過したニュートリノビームは、ニュートリノが電荷を持たないため、検出器に軌道を残しませんでした。そのため、ニュートリノと物質の成分との相互作用によって生成された粒子を観察することで、ニュートリノとの相互作用が検出されました。ニュートリノの断面積は極めて小さいため、相互作用の確率は非常に小さいです。バブルチェンバーは通常液体水素で満たされているが、ガルガメルは重い液体であるCBrF ₃（フレオン）で満たされており、ニュートリノの相互作用を観測する確率が高まった。^[1]

ニュートリノ物理学の領域は60年代に急速に拡大した。泡箱を使用したニュートリノ実験は、CERNの最初のシンクロトロンであるPSですでに実行されており、次世代の泡箱の問題はしばらく議題に上がっていた。パリのエコール・ポリテクニークの著名な物理学者アンドレ・ラガリグと彼の同僚たちは、1964年2月10日付けで、CERNの監督下で重液体チャンバーの建設を提案する最初の報告書を書いた。^{[5]彼は、パリのエコール}・ポリテクニーク、アーヘン工科大学、ブリュッセルのロンドン大学、ミラノ大学物理学研究所、オルセーLAL、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン、およびCERNの7つの研究所からなる共同研究組織を結成した。^[6]グループは1968年にミラノで会合し、実験の物理的優先事項をリストアップしました。今日ではガルガメッレは中性電流の発見で有名ですが、物理プログラムを準備している間、この話題は議論さえされず、最終提案では優先順位の5番目にランクされています。^[7]当時は電弱理論に関するコンセンサスがなく、それが優先順位のリストを説明している可能性があります。また、中性K中間子が2つの荷電レプトンに崩壊する際の中性電流を調べた以前の実験では、約10 ⁻⁷という非常に小さな限界が測定されていました。

予算危機のため、予想に反して1966年の実験は承認されなかった。CERNの所長ヴィクトール・ヴァイスコフと科学ディレクターのベルナール・グレゴリーは、自ら資金を拠出することを決定し、科学ディレクターのベルナール・グレゴリーは1966年の支払い分をCERNに融資した。^[5]最終契約は1965年12月2日に締結され、CERNの歴史上、この種の投資が評議会ではなく所長の執行権限によって承認されたのはこれが初めてとなった。

ガルガメルチャンバーはサクレーで完全に建設されました。建設は約2年遅れましたが、1970年12月に最終的にCERNで組み立てられ、最初の重要な運転は1971年3月に行われました。^[5]

ガルガメルは長さ 4.8 メートル、直径 2 メートルで、12 立方メートルの重質液体フロンを収容していました。荷電粒子の軌道を曲げるために、ガルガメルは 2 テスラの磁場を発生させる磁石で囲まれていました。磁石のコイルは水で冷却される銅で作られ、ガルガメルの長方形の形状に沿っていました。液体を適切な温度に保つために、温度を調節する複数の水管がチャンバー本体を取り囲んでいました。装置全体の重量は 1,000 トン以上でした。

出来事を記録する際、チャンバーは照明され、写真が撮られた。照明システムから発せられた光は泡によって 90° に散乱され、光学系に送られた。光源はチャンバー本体の両端とシリンダーの半分に配置された 21 個の点状フラッシュで構成されていた。^[8]光学系はシリンダーの反対側の半分にあり、チャンバーの軸に平行に 2 列に分散され、各列には 4 つの光学系があった。対物レンズは、90° の視野角を持つレンズの集合体で、その後に視野を 110° に拡張する発散レンズが続いた。

ガルガメルはニュートリノと反ニュートリノの検出用に設計された。ニュートリノと反ニュートリノの発生源は、PSからの26 GeVのエネルギーの陽子ビームであった。陽子は磁石によって抽出され、適切な四極子と双極子の磁石のアレイに導かれ、ビームをターゲットに合わせるために必要な位置と向きの自由度が与えられた。ターゲットは、長さ90 cm、直径5 mmのベリリウムの円筒であった。 ^[8]ターゲット材料は、衝突で生成されるハドロンが主にニュートリノに崩壊するパイ中間子とカオンになるように選択された。生成されたパイ中間子とカオンはさまざまな角度とエネルギーを持ち、その結果、それらの崩壊生成物も非常に大きな運動量の広がりを持つことになる。ニュートリノは電荷を持たず、電場や磁場で集束させることはできない。代わりに、ノーベル賞受賞者のサイモン・ファンデルメールが発明した磁気ホーンを使用して二次粒子を集束させます。ホーンの形状と磁場の強さを調整して、最も集束させる粒子の範囲を選択でき、その結果、K中間子とパイ中間子が崩壊するときに、選択した範囲のエネルギーで集束されたニュートリノビームが得られます。ホーンを通る電流を逆転させることで、反ニュートリノビームを生成できます。ガルガメルは、ニュートリノビームと反ニュートリノビームを交互に流しました。ファンデルメールの発明により、ニュートリノフラックスは20倍に増加しました。ニュートリノビームのエネルギーは1～10 GeVでした。

収束された後、パイ中間子とカオンは長さ 70 メートルのトンネルを通って崩壊した。崩壊しなかったパイ中間子とカオンはトンネルの端にある遮蔽物にぶつかり、吸収された。崩壊する際、パイ中間子とカオンは通常π → μ + νおよびK → μ + νに崩壊するため、ニュートリノのフラックスはミューオンのフラックスに比例する。ミューオンはハドロンとして吸収されないため、荷電ミューオンのフラックスは長い遮蔽物内での電磁減速プロセスによって停止した。ニュートリノのフラックスは、遮蔽物のさまざまな深さに配置された 6 面のシリコン金検出器によって、対応するミューオンのフラックスを通じて測定された。^[8]

1971 年から 1976 年にかけて、まず PS (陽子シンクロトロンブースター) 用の新しい入射器が導入され、次にビーム光学系が注意深く研究されたことにより、強度が大幅に向上しました。

ガルガメルの最初の主な探求は、ミューニュートリノと反ニュートリノが核子から強く散乱する証拠を探すことだった。優先順位は、ハドロン中性カレントの存在の最初のヒントが明らかになった1972年3月に変わった。 ^[9]その後、中性カレント候補の探索に2つのアプローチを取ることが決定された。1つは、レプトン事象、つまり液体中の電子との相互作用を伴う事象、例えば、
ν
_μ+
e⁻
→
ν
_μ+
e⁻
または
ν
_μ+
e⁻
→
ν
_μ+
e⁻
もう一つの線は、ハドロンから散乱されたニュートリノを含むハドロン事象を探索する。
ν
+
p
→
ν
+
p
、
ν
+
ん
→
ν
+
p
+
π⁻
または
p
→
ν
+
ん
+
π⁺
、および多数のハドロンを伴うイベント。レプ​​トン イベントの断面積は小さいが、それに応じてバックグラウンドも小さい。ハドロン イベントのバックグラウンドはより大きく、その主な原因は、ニュートリノがチャンバー周辺の物質と相互作用するときに生成される中性子である。中性子は電荷を持たないため、バブル チャンバーでは検出されず、その相互作用の検出は中性カレント イベントを模倣する。中性子バックグラウンドを減らすには、ハドロン イベントのエネルギーを 1 GeV より大きくする必要がある。

レプトン事象の最初の例は、1972年12月にガルガメレでアーヘンの大学院生によって発見されました。1973年3月までに166のハドロン事象が発見され、そのうち102はニュートリノビームによる事象、64は反ニュートリノビームによる事象でした。^[9]しかし、中性子背景の問題がハドロン事象の解釈にかかっていました。この問題は、ハドロン事象の選択を満たす関連する中性子相互作用も持つ荷電電流事象を研究することで解決されました。^[10]このようにして、中性子背景フラックスのモニターが得られます。1973年7月19日、ガルガメレ共同研究チームは、CERNでのセミナーで中性電流の発見を発表しました。

ガルガメル共同研究チームは、レプトン中性カレント（ニュートリノと電子の相互作用を伴うイベント）とハドロン中性カレント（ニュートリノが核子から散乱されるイベント）の両方を発見しました。この発見は、今日では標準モデルの柱となっている電弱理論を支持するものであり、非常に重要でした。電弱理論の最終的な実験的証明は、1983年にUA1とUA2の共同研究チームがW ^±ボソンとZ ⁰ボソンを発見したときに行われました。

当初、ガルガメル実験の最優先事項は、ニュートリノと反ニュートリノの断面積と構造関数を測定することだった。その理由は、核子のクォークモデルをテストするためだった。まず、ニュートリノと反ニュートリノの断面積はエネルギーに対して線形であることが示された。これは、核子内の点状構成要素の散乱に対して予想されるものである。ニュートリノと反ニュートリノの構造関数を組み合わせることで、核子内のクォークの正味の数を決定することができ、これは 3 とよく一致した。さらに、電子ビームを使用してニュートリノの結果を米国のスタンフォード線形加速器センター(SLAC) の結果と比較すると、クォークが分数電荷を持つことが判明し、これらの電荷の値が + 2 ⁄ 3  e、 - 1 ⁄ 3  e であることが実験的に証明された。この結果は1975年に発表され、クォークの存在の決定的な証拠となった。^[11]

• 陽子シンクロトロン
• UA1実験
• UA2実験
• WボソンとZボソン
• バブルチャンバー

• ノッティンガム大学、「ガルガメルと中性電流」^{[永久リンク切れ‍ ]}

• INSPIRE-HEPの Gargamelle 実験記録