WISArD実験

32Ar崩壊による弱い相互作用の研究（WISArD ）実験は、CERNのISOLDE施設に設置された常設の実験装置です。実験の目的は、原子核から放出されるベータ遅延陽子を探すことで弱い相互作用を調査することです。^[1] Long Shutdown 2中にオンラインでの同位体生成が行われなかったため、実験装置はベータエネルギースペクトルの形状を測定するためにも使用されました。^[2]この実験の目標は、弱い相互作用における電流の既存の制限を拡大することで、標準モデル（SM）を超える物理を探索することです。 ^[3]

WISArDの実験装置はWITCH実験の超伝導磁石と既存のインフラストラクチャを再利用しています。^{[4] [3]}

標準モデルは、4つの基本的な相互作用のうち3つを説明し、既知のすべての素粒子を分類します。ヒッグス粒子の発見によって基本的に確認されましたが、特に弱い相互作用に関しては、まだ多くの未解決の質問があります。標準モデルは、弱い相互作用に対して特定のベクトル-軸ベクトル（V-A）形式を提案していますが、他の寄与も理論によって排除されていません。純粋なフェルミ（F）崩壊や純粋なガモフ-テラー（GT）崩壊などのよく選択されたベータ崩壊の測定は、これらの他の寄与の実験的証拠を提供する可能性があります。ベータ崩壊は、核構造に関連する効果による擾乱を最小限に抑え、純粋な遷移は基礎となる核相互作用とは無関係であるためです。^{[3] [5]}

ベータ粒子とニュートリノの運動量を決定することで、非標準的寄与の程度を定量化する相関係数を決定することができる。 ^[3]しかし、この種の実験でニュートリノを観測して測定することは本質的に不可能である。その特性は、ベータ粒子とベータ崩壊娘核の反動を測定することによって、三体運動学から決定することができる。WISArD実験では、反動の測定は、反動核から放出される陽子の特性の測定に置き換えられている。ベータ粒子に関して実験装置の同じ半球と反対の半球で放出される陽子のエネルギーを比較することで、2つのケース間の運動学的シフトを測定できる。この運動学的シフトは、ベータニュートリノ相関を推測するために必要な情報を伝え、標準モデルを超えた物理学へのアクセスを提供する。^{[6] [7] [3]}

あるいは、非SM寄与は、連続ベータエネルギースペクトルの形状を非常に正確に測定することによって研究することができる。検出器では、ベータ粒子は軌道に沿って大きな角度で偏向し、検出器に入った粒子は十分な偏向を受けて同じ表面から再び現れることがある。これは後方散乱と呼ばれ、従来のスペクトル形状測定における本質的な制限である。WISArDでは、この問題は、高磁場内に2つの検出器を向かい合わせて設置することで緩和され、後方散乱したベータ粒子を効果的に反対側の検出器に誘導する。^[2]

アルゴン同位体^32Arの放射性イオンビーム（RIB）は、ISOLDE施設で核破砕反応（高エネルギー粒子による標的の衝撃）によって生成され、続いて標的からのアルゴン原子の熱拡散が起こります。 ^[3]ビームは抽出され加速された後、高解像度分離装置（HRS）または汎用分離装置（GPS）によって質量分離されます。^{[6] [3]このビームはその後、}ビームラインを介してWISArD実験装置に送られます。^[6]

WISArD ビーム輸送システムは、イオン源 (IBL)、水平 (HBL)、垂直 (VBL)、およびソレノイド磁石 (SBL) ビームラインで構成されています。IBL は安定したイオンビームを提供し、イオン化ユニット、円錐 グラファイトシリンダー、抽出電極、および抽出レンズで構成されています。HBL は、2 つのキッカーベンダーアセンブリと高電圧アインツェルレンズで構成される後続セクションに RIB を輸送します。VBL は、円筒形の電極を使用してビームを集束し、SBL 領域に注入します。最後から 2 番目の電極はアインツェルレンズとして使用されます。^{[3] [8]}超伝導磁石セクションは、以前の WITCH 磁石を使用して最大 9 T の磁場を生成し、真空管を囲んでいます。^[9]

検出装置（DSet2018）は、検出器を支え、アセンブリを拘束する4本のアルミニウム棒で構成されています。さらに、ベータ粒子検出に使用されるシンチレーション検出器、ベータ遅延陽子を検出するためのシリコン検出器、放射性アルゴンビームを注入するためのキャッチャーホイル、および²⁰⁸ Poアルファ線源があります。^{[3]キャッチャーホイルは}磁場の中央に配置され、4つのシリコン検出器が上と下に4つ配置されています。^[10] 陽電子は磁場によってシンチレーション検出器に誘導されます。^[6]

2018年のWISArDの最初の実行に続いて、セットアップにいくつかのアップグレードが行われました。^[3]

イオンビームシステムの総輸送効率は、2018年11月から2021年アップグレードまでに12%から90%近くに向上しました。^[7]これは、ビームラインの静電要素を最適化し、ビームがフリンジフィールド領域に入る前にビームを集束させることでフリンジフィールド（外部磁場）の影響を低減することによって実現しました。^[3]

この実験のために新しいシリコン検出器が特別に作られ、立体角カバレッジとエネルギー分解能が向上しました。さらに、プラスチックシンチレーション検出器を改良して検出閾値を下げ、後方散乱の影響を制限しました。^{[7] [3]}さらに、相関係数の望ましい精度レベルに到達するために必要な情報であるアルゴンビームの位置と広がりを測定するために、よりコンパクトなマイクロチャネルプレート（MCP）が設計されました。^[3]

^{2018年11月に行われた32} Arを用いた最初のベータニュートリノ相関キャンペーンの結果は、陽子の運動エネルギーシフトの測定とシステムのテストに成功し、原理実証を示した。^[6] 2021年に行われた新たなテストでは、新しいセットアップのすべてのコンポーネントが機能し、最初のキャンペーンに対する改善が達成できたことが示された。^{[3] 32} Arを用いた本格的な実験は2024年前半に実施される 予定である。

^{2020年11月と12月に、 114} Inを用いた最初のベータスペクトル形状測定が行われました。これにより、このような重い原子核の弱い相互作用によるベータ崩壊に対する強い相互作用の影響の大部分を占める弱磁性形状因子が初めて実験的に決定されました。^[2]この結果は、代わりにマルチワイヤドリフトチャンバーベースのベータ分光計を使用した双子実験の結果と一致しています。^[11]