科学者がとらえどころのないアクシオン粒子を探すツールを開発

ほぼ半世紀前にアクシオンが初めて理論によって予測されて以来、研究者たちは、目に見える宇宙の外側に存在する可能性があるとらえどころのない粒子の証拠を暗黒領域で探し求めてきた。 しかし、目に見えない粒子はどうやって見つけられるのでしょうか? ロスアラモスでのコヒーレント・キャプテン・ミルズ実験による最初の物理学的結果は、ちょうどフィジカル・レビューD誌の出版物に記載されたところですが、液体アルゴン、加速器ベースの実験が当初は無菌ニュートリノのような同様の仮説上の粒子を探すために設計されたことを示唆しています。 、ステルスアクシオンを探すのにも理想的なセットアップかもしれません。

物理学者のリチャード・ヴァン・デ・ウォーター氏は、「ダークセクター粒子の確認は、素粒子物理学の標準模型や宇宙の起源と進化の理解に重大な影響を与えるだろう」と述べた。 「物理学界の大きな焦点は、これらの粒子を検出して確認する方法を模索することです。コヒーレント・キャプテン・ミルズの実験は、アクシオンなどの暗黒物質粒子の既存の予測と、この見つけにくい暗黒物質を生成できる高強度粒子加速器を組み合わせたものです」案件。"

物理学理論によれば、宇宙のわずか 5% は目に見える物質、つまり私たちが見て、触れ、感じられるものを形成する原子で構成されており、残りの 95% はダーク セクターとして知られる物質とエネルギーの組み合わせであると考えられています。 アクシオンや無菌ニュートリノなどが、その失われたエネルギー密度のすべてまたは一部を説明し、説明する可能性があります。

アクシオンの存在は、亜原子世界の既知の挙動を概説する標準模型における長年の問題も解決する可能性があります。 宇宙の「化石」と呼ばれることもあるアクシオンは、ビッグバンのわずか 1 秒後に発生すると推測されており、宇宙の創設の瞬間について多くのことを教えてくれる可能性もあります。

コヒレント・キャプテン・ミルズ実験は、ロスアラモスの研究所主導型研究開発プログラムから多額の資金提供を受け、2019年にエネルギー省からダークセクター研究への資金提供を受けたいくつかのプロジェクトのうちの1つだった。 CCM120 と呼ばれるプロトタイプの検出器が構築され、2019 年のロス アラモス中性子科学センター (LANSCE) ビーム サイクル中に稼働しました。 Physical Review D の出版物には、CCM120 の初期エンジニアリング実行の結果が記載されています。

「キャプテン・ミルズ研究の最初の実行に基づいて、この実験はアクシオンの探索を実行する能力を実証した」とロスアラモスのこのプロジェクトの物理学者でもあるビル・ルイス氏は語った。 「私たちは、LANSCE の陽子ビームと液体アルゴン検出器の設計によってもたらされるエネルギー体制が、アクシオン様粒子研究に未踏のパラダイムを提供することを認識しています。」

LANSCE に隣接するルジャン センターに設置されている Coherent CAPTAIN-Mills 実験は、10 トンの過冷却液体アルゴン検出器です。 (CAPTAIN は、アルゴンとニュートリノの反応の精密試験のための極低温装置の略です。)

LANSCE 加速器によって生成された高強度の 800 メガ電子ボルトの陽子は、ルジャン センターのタングステン ターゲットに衝突し、広範な鋼鉄とコンクリートのシールドを通って検出器まで 23 メートル移動し、液体アルゴン中で相互作用します。

プロトタイプの検出器の内壁には、120 本の 8 インチの高感度光電子増倍管 (CCM120 というあだ名が付けられています) が並んでおり、通常またはダーク セクターの粒子が液体アルゴンのタンク内で原子を衝突させるときに生じる光のフラッシュ (単一光子) を検出します。 内壁に施された特殊な材料コーティングにより、アルゴンの発光が光電子増倍管で検出できる可視光に変換されます。 検出器とビームのタイミングが速いため、放射性崩壊による中性子、宇宙線、ガンマ線などのバックグラウンド粒子の影響を除去できます。

アクシオンは「モチベーションが高い」ため、非常に興味深いものです。 つまり、それらの存在は標準模型を超えた理論に強く暗示されています。 70 年以上にわたって開発された標準モデルは、物質の構成要素である原子の挙動を支配する 4 つの既知の基本的な力のうちの 3 つ、つまり電磁気、弱い核力、強い核力を説明します。 (4 番目の力である重力は、アインシュタインの相対性理論によって説明されます。) しかし、モデルは必ずしも完成しているわけではありません。

標準模型物理学における未解決の問題は「強い CP 問題」として知られており、「CP」は電荷パリティ対称性を意味します。 基本的に、粒子とその反粒子は物理法則によって同様に作用します。 ただし、標準模型の物理学にはその動作を強制するものは何もないため、物理学者は少なくとも時折その対称性の違反を確認する必要があります。

弱い力の相互作用では、電荷パリティ対称性の違反が発生します。 しかし、強力な力による相互作用において同様の違反は観察されていない。 理論的に可能な動作が存在しないという不可解な点は、標準モデル理論の問題を表しています。 強い力の相互作用において電荷パリティ対称性の違反が発生するのを防ぐものは何でしょうか?

豊富に存在し、ほぼ無重力で電気的に中性のアクシオンは、パズルの重要な部分となる可能性があります。 アクシオンというあだ名は 1978 年に付けられました。物理学者のフランク ウィルチェクが洗濯用洗剤のブランドにちなんで名付けたもので、そのような粒子が強力な CP 問題を「一掃」できるためです。 物理学者らは、これらは電荷パリティの対称性を維持する暗黒物質の力の構成要素であり、光子や電子と結合または相互作用するのではないかと推測している。

アクシオンが存在する場合、それを見つけるには、適切な実験装置を考案する必要があるかもしれません。

「当社の CCM120 検出器を使った最初の実験の結果、液体アルゴン中を移動する際に光子と電子に結合したアクシオンのような粒子に関連する痕跡について、よりよく理解できるようになりました」とルイス氏は述べています。 「これらのデータは、検出器をアップグレードして一桁感度を高めるための洞察を与えてくれます。」

2020年から2021年にかけて、DOEと研究所からのさらなる資金提供を受けて、新しくアップグレードされたCCM200検出器が構築され、200個の内向き光電子増倍管、テトラフェニルブタジエン表面フォイル、二重拒否光電子増倍管、液体アルゴン濾過を備えています。 CCM120 プロトタイプの結果を基にして、新しい検出器は 3 年間の物理実験を開始しました。これにより、暗黒物質とアクシオンの探索と、以前のロス アラモス主導の液体シンチレーター ニュートリノ検出器で発見された短い基線異常のテストに関して、さらに重要な結果が得られるはずです。 Fermilab ベースの MiniBooNE 実験。

紙： 「Coherent CAPTAIN-Mills 実験でアクシオン様粒子を検出できる見込み。」 物理的レビュー D. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.095036

資金提供:この研究は、エネルギー省科学局、国立科学財団、ロスアラモス国立研究所の研究所主導型研究開発プログラム、テキサス A&M 大学国立研究所事務局、およびメキシコ国立自治大学の支援を受けました。