国際共同実験「MicroBooNE」でステライルニュートリノの存在は示唆されなかった

国際共同実験「MicroBooNE」でステライルニュートリノの存在は示唆されなかった 物理
©Fermilab.

米国エネルギー省フェルミ国立加速器研究所のMicroBooNE実験の新しい結果は、「ステライルニュートリノ」と呼ばれる理論上の粒子に打撃を与えました。

20年以上にわたり、この第4のニュートリノは、初期の物理学実験で見られた異常を説明する有力な候補であり続けました。

新しい粒子が見つかれば、大発見となり、宇宙に対する理解が根本的に変わることになります。

しかし、国際共同研究である「MicroBooNE」によって発表され、本日のセミナーで発表された4つの相補的な解析結果は、すべて同じことを示しています。

すなわち、ステライルニュートリノは存在しないということです。

この結果は、宇宙がどのように機能しているかについての科学者の最良の理論である「素粒子物理学の標準モデル」と一致しており、今回のデータは、標準モデルが予測している「3種類のニュートリノ」と一致しています。

「MicroBooNE」

国際的なMicroBooNE実験では、フェルミ国立加速器研究所のニュートリノビームに設置された170トンの検出器を使用しています。この実験では、ニュートリノの相互作用を研究しており、ステライルニュートリノと呼ばれる理論上の第4のニュートリノを示唆するものは見つかっていない。©Reidar Hahn, Fermilab.

エール大学の物理学教授で「MicroBooNE」の共同スポークスマンを務めるBonnie Fleming氏は、「MicroBooNEは、複数のタイプの反応、複数の分析・再構成技術を用いて、非常に包括的な探査を行いました。その結果、ステライルニュートリノのヒントとなるものは見ていないという、非常に高い自信を持つことができました。」と述べています。

「MicroBooNE」は、スクールバスとほぼ同じ大きさの170トンのニュートリノ検出器で、2015年から稼働しています。

この国際実験には、5カ国36機関から200人近い共同研究者が参加しています。

彼らは最先端の技術を駆使して、ニュートリノ事象の目を見張るような精密な3D画像を記録し、素粒子の相互作用を詳細に調べました。

ニュートリノは、自然界の基本的な粒子の一つです。

ニュートリノは中性で、非常に小さく、宇宙で最も多く存在する質量を持つ粒子ですが、他の物質と反応することはほとんどありません。

ニュートリノは物理学者にとって非常に興味深い粒子であり、多くの未解決の問題を抱えています。

例えば、ニュートリノの質量はなぜ非常に小さいのか、宇宙で物質が反物質を支配しているのはニュートリノのせいなのか、などです。

このため、ニュートリノは、宇宙が最小のスケールでどのように機能しているかを探るユニークな窓口となっています。

「MicroBooNE」の新しい結果は、ニュートリノ研究におけるエキサイティングな転換点となります。

ニュートリノのデータに見られる異常を説明する方法として、ステライルニュートリノがさらに不利になったため、科学者たちは他の可能性を調査しています。

これらの可能性には,ニュートリノ衝突中に他の過程で生成された光のような興味深いものや,ダークマター,ヒッグス粒子に関連する説明されていない物理、あるいは標準モデルを超える他の物理などのエキゾチックなものが含まれます。

ステライルニュートリノの最初の兆候

ステライルニュートリノの最初の兆候

「MicroBooNE」の高度な液体アルゴン技術により、研究者は粒子飛跡の詳細な画像を撮影することができます。この電子ニュートリノ事象では、電子シャワーと陽子の飛跡が見られる。©MicroBooNE collaboration

ニュートリノには、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3つのタイプが知られており、これらのタイプを特殊な方法で切り替えながら飛行することができます。

この現象は「ニュートリノ振動」と呼ばれています。

科学者たちは、振動の知識を使って、発生源から様々な距離でニュートリノを測定したときに、どの種類のニュートリノが何個見えるかを予測することができます。

ニュートリノは、太陽、大気、原子炉、粒子加速器など、多くの発生源によって作られます。

20年ほど前から、2つの粒子線実験のデータが研究者たちを混乱させていました。

1990年代、米国DOEのロスアラモス国立研究所で行われた液体シンチレーターニュートリノ検出器(LSND)の実験では、予想以上に多くの粒子反応が見られました。

2002年には、LSNDの結果をより詳細に調べるために、フェルミ国立加速器研究所のMiniBooNE実験がデータ収集を開始しました。

MiniBooNE実験でも、計算で予測されていたよりも多くの粒子事象が観測されました。

これらの奇妙なニュートリノビームの結果に続いて、放射性物質源や原子炉ニュートリノ実験から消失した電子ニュートリノの報告がなされました。

これらの奇妙な結果を説明する有力な候補として、ステライルニュートリノが浮上しました。

ニュートリノはすでに検出するのが難しいものですが、提案されたステライルニュートリノはさらにとらえどころがなく、重力にのみ反応します。

しかし、ニュートリノはさまざまなタイプの間を行き来するので、ステライルニュートリノはニュートリノの振動方法に影響を与え、データにそのサインを残す可能性があります。

しかし、自然界の最も小さなものを研究するのは簡単なことではありません。

科学者たちはニュートリノを直接見ることはなく、ニュートリノが検出器の中の原子に衝突したときに現れる粒子を見るのです。

MiniBooNE検出器には、ある制限がありました。

ニュートリノが反応した場所の近くでは、電子と光子(光の粒子)の違いを見分けることができなかったのです。

この曖昧さが、衝突して出てきた粒子のイメージを曖昧にしていたのです。

例えば、チョコレートの箱を持っていて、MiniBooNEは12個入っていると言いますが、今回の「MicroBooNE」はどれがアーモンドでどれがキャラメルなのかを知ることができました。

もしMiniBooNEが本当に予測よりも多くの電子を見ていたとしたら、それは相互作用を引き起こしている余分な電子ニュートリノを示しています。

それは、研究者が説明していなかった予想外のことが振動の中で起こっていることを意味します。

しかし、もし光子が過剰な反応を起こしているのであれば、それは振動が暴走して新しい粒子ができたのではなく、バックグラウンドのプロセスである可能性が高いです。

研究者たちは、より微妙な検出器が必要であることは明らかでした。

そして2007年、「MicroBooNE」のアイデアが生まれました。

「MicroBooNE」:精密な検出器

「MicroBooNE」:精密な検出器

「MicroBooNE」の精密検出器の部品(タイムプロジェクションチャンバーと呼ばれる)を円筒形の容器(クライオスタット)に取り付ける作業員。©Reidar Hahn, Fermilab.

MicroBooNE検出器は、最先端の技術とテクノロジーに基づいて作られています。

特殊な光センサーと、丹念に取り付けられた8,000本以上のワイヤーを使って、粒子の軌跡をとらえます。

この検出器は、170トンの純粋な液体アルゴンで満たされた、長さ40フィート(約12.2m)の円筒形の容器に収められています。

ニュートリノが高密度の透明な液体にぶつかると、粒子がさらに放出され電子機器で記録できます。

電子機器が記録した粒子の軌跡は詳細に表示され、電子と光子を区別することができるのが大きな特徴です。

「MicroBooNE」の最初の3年間のデータでは、電子の過剰は見られませんでしたが、MiniBooNEのデータの誤りを示す可能性のあるバックグラウンドプロセスからの光子の過剰も見られませんでした。

8年間「MicroBooNE」の共同スポークスマンを務めたフェルミ加速器研究所の科学者Sam Zeller氏は、「電子も、最も可能性の高い光子も、MiniBooNEのような信号から期待されるものは見られませんでした。しかし、MiniBooNEの初期のデータは嘘ではありません。何か本当に面白いことが起きていて、それをまだ説明する必要があるのです。」と述べています。

「MicroBooNE」は、MiniBooNEの過剰事象の原因として最も可能性の高い光子を95%の信頼度で除外し、電子を唯一の原因として99%以上の信頼度で除外しましたが、まだまだ続きます。

「MicroBooNE」はまだデータの半分を解析しており、さらに多くの方法で解析することができます。

「MicroBooNE」は粒度が高いので、特定の種類の粒子の相互作用を調べることができます。

研究チームは、まずMiniBooNEの過剰反応の原因として最も可能性の高いものから始めましたが、電子や陽電子の出現や、光子を含むさまざまな結果など、さらに調査すべきチャンネルがあります。

「これらの異なる事象を詳細に調べることができるのは、この検出器の真の強みです。データは、可能性の高い説明から離れて、より複雑で興味深いものを指し示していて、これはとてもエキサイティングなことです。」

最初の分析では、ステライルニュートリノについての情報が得られましたが、追加の分析では、ダークマター、アキシオン様粒子、仮説的なZプライムボゾンなど、よりエキゾチックな説明についての情報が得られる可能性があります。

また、予想外の方法で隠れているステライルニュートリノである可能性もあります。

将来のニュートリノ探査

ニュートリノは謎に包まれています。

先に行われたMiniBooNE実験やLSND実験で見られた異常なデータは、まだ説明が必要です。

ニュートリノ振動という現象や、ニュートリノが質量を持っているという事実もそうですが、どちらも標準モデルでは予測されていません。

また、ニュートリノが、反物質ばかりの宇宙や何もない宇宙ではなく、なぜこれほど多くの物質が存在するのかを説明するのに役立つのではないかという気になるヒントもあります。

「MicroBooNE」は、その答えを探している一連のニュートリノ実験の一つです。

重要なことに、この実験は、今後の検出器に使用される液体アルゴン技術の長期的なテストベッドでもあります。

マンチェスター大学の科学者であり、「MicroBooNE」の共同スポークスマンであるJustin Evans氏は、「私たちはハードウェアを構築してテストし、膨大なデータを処理するためのインフラも開発しました。シミュレーション、キャリブレーション、再構成アルゴリズム、解析戦略、機械学習などによる自動化などです。今後の実験には、このような下地作りが欠かせません。」と述べています。

液体アルゴンは、間もなく物理データの収集を開始するICARUS検出器や、2023年に稼働予定のShort-Baseline Near Detector(SBND)の材料として選ばれています。

「MicroBooNE」と合わせて、この3つの実験はフェルミ国立加速器研究所の短基線ニュートリノプログラムを形成し、豊富なニュートリノデータを生み出すことになります。

例えば、SBNDは1ヶ月間で、「MicroBooNE」が2年間で収集したデータよりも多くのデータを記録します。

今日の「MicroBooNE」の結果は、トリオの幅広いポートフォリオの研究の一部に役立つでしょう。

「ニュートリノを調べるたびに、何か新しいことや予想外のことが見つかるようです。MicroBooNEの結果は私たちを新たな方向へと導いてくれ、私たちのニュートリノプログラムはこれらの謎のいくつかに迫ることになるでしょう。」とEvans氏は言います。

液体アルゴンは、フェルミ国立加速器研究所が主催する代表的な国際実験で、すでに30カ国以上から1,000人以上の研究者が参加している「Deep Underground Neutrino Experiment(DUNE)」でも使用されます。

DUNEは、ニュートリノを地球上の800マイル(1,300km)の距離を通って、深さ1マイルのサンフォード地下研究施設にある検出器に送り、振動を研究します。

短距離と長距離のニュートリノ実験を組み合わせることで、研究者はこれらの基本的な粒子の働きについての洞察を得ることができます。

「物理学には大きな未解決の問題があり、多くの実験がそれを解決しようとしています。そしてニュートリノは、その答えをどこで見つけられるかを教えてくれるかもしれません。宇宙の仕組みを理解したければ、ニュートリノを理解しなければならないと思います。」とFleming氏は言います。

Published by Fermilab.