数物系科学
2021.11.29
世界最高エネルギーの衝突型加速器 LHC にてニュートリノ反応候補を初めて観測 － ニュートリノ実験の新しい視点 －
ニュートリノ（※1）は、極端に小さい質量を持ち世代間で大きく混合しているなど異質な存在であり、未だ謎が多く、未知の枠組みの解明への手がかりとなることが期待されています。1GeV程度のニュートリノを研究する大型のハイパーカミオカンデ計画が進行中ですが、一方で1TeV（1000GeV）程度の高エネルギー領域でのニュートリノ研究は未開拓であり、衝突型加速器（コライダー）（※2）からのニュートリノはこれまでに直接観測されたことがありませんでした。本研究では、欧州原子核研究機構（CERN、セルン）の大型ハドロンコライダー（LHC（※3））を用いて未開拓の高エネルギー領域でのニュートリノ研究が可能なことを見出し、LHCでのニュートリノ実験を初めて立ち上げました。現在の加速器によって生成できる最高エネルギーのニュートリノを研究し、未知の高エネルギー領域において3種類のフレーバー（※4）のニュートリノに素粒子標準理論を超えた物理の影響があるかを検証することを目指しています。
国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院理学研究科・素粒子宇宙起源研究所の中野 敏行 講師、同大学未来材料・システム研究所の中村 光廣 教授、六條 宏紀 特任助教、佐藤 修 特任講師、九州大学基幹教育院の有賀 智子 助教、千葉大学大学院理学研究院・ベルン大学AEC-LHEPの有賀 昭貴 准教授、九州大学先端素粒子物理研究センターの音野 瑛俊 助教、高エネルギー加速器研究機構（KEK）素粒子原子核研究所の田窪 洋介 研究機関講師、そして稲田 知大 博士研究員らを始めとするFASER（フェイザー）国際共同実験（※5）グループは、史上初めて世界最大・最高エネルギーの衝突型加速器LHCからのニュートリノ反応候補の観測に成功しました。
本研究では、CERNにあるLHCのビーム軸上にて、2018年に小型のニュートリノ検出器を設置してデータを取得しました。ニュートリノはLHCの陽子陽子衝突で生じる様々な粒子の崩壊によって生じますが、反応する確率は非常に小さいです。約2000万本ものミューオンの飛跡が検出器に記録されたのに対し期待されたニュートリノ反応は10事象程度でした。膨大な背景事象を処理するために高飛跡密度での飛跡再構成アルゴリズム等の技術開発を行い、ニュートリノ反応候補の探索を行いました。さらに、粒子の角度情報など幾何学的パラメータを用いた多変数解析により背景事象の分別を行い、LHCにおけるニュートリノ反応候補の初検出を実現しました。
これまでコライダー実験とニュートリノ実験は別々の研究領域としてみなされてきました。今回の実験結果は両者のシナジーを生み、今後のコライダーを用いた高エネルギーニュートリノ実験への道を拓くものです。今後、FASER国際共同実験は2022-2024年に本格的な実験を予定しており、LHC陽子陽子衝突に起因する未知粒子探索および高エネルギーニュートリノ測定を実施します。
本研究成果は、2021年11月24日(EST)に米国科学雑誌「Physical Review D」に掲載されました。
◆詳細（プレスリリース本文）はこちら
（※1）ニュートリノ：
素粒子標準理論において、電荷を持たず質量が非常に小さい素粒子と考えられています。電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノという3世代あることが分かっていますが、その詳細な性質の解明はこれからです。FASER実験では、ニュートリノ検出器としてエマルションフィルムという最も3次元位置分解能の優れた粒子検出器を用いることにより、これら3世代のニュートリノを識別することができます。
（※2）衝突型加速器（コライダー）：
2つのビーム（加速された粒子）を衝突させる加速器です。静止した粒子に加速した粒子を衝突させる方法に比べてはるかに高いエネルギーの衝突となり、より微細な構造を調べる実験が可能になります。
（※3）大型ハドロンコライダー（Large Hadron Collider（LHC））：
高エネルギー物理学実験を目的として、CERNが建設した世界最大・最高エネルギーのハドロン衝突型加速器です。周長が27kmあり、スイスとフランスの国境をまたいで設置されています。2019-2021年は運転停止期間でしたが、2022-2024年に第3期（Run3）の運転が予定されていて、FASER実験もその期間に実施します。
（※4）フレーバー：
クォーク、レプトンの種類のことで、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、タウニュートリノという3種類のフレーバーがあります。標準理論では3種類のニュートリノは同じように弱い相互作用をすると仮定されています。これをレプトン普遍性と呼び、これまで広く受け入れられてきましたが、近年、他のコライダー実験によって、高い世代の粒子が関わる崩壊においてレプトン普遍性が破れているかもしれないという実験結果が報告されています。
（※5）FASER国際共同実験：
国際共同実験ForwArd Search ExpeRiment at the LHC（FASER、フェイザーと読む）は、CERNにある世界最大のハドロン衝突型加速器LHCの陽子陽子衝突点の超前方（ビーム軸に対して0.6mrad以内程度の前方）に検出器を設置し、軽い長寿命の未知粒子を探索することを目的として提案された実験です。2019年3月にCERNの正式承認を受けました。その後、未開拓の高エネルギー領域での3世代ニュートリノを研究できることに着目し、日本人グループを中心としてニュートリノ測定（FASERν）を提案しました。2019年12月にFASERνもCERNの正式承認を受けて、2022－2024年のビーム照射実験に向けた準備を進めています。以下の図1にFASERν検出器の設置位置、図2にFASERνで研究するニュートリノのエネルギー領域を示します。
タイトル： First neutrino interaction candidates at the LHC
著者名： Akitaka Ariga, Tomoko Ariga（責任著者）, Tomohiro Inada, Mitsuhiro Nakamura, Toshiyuki Nakano, Hidetoshi Otono, Hiroki Rokujo, Osamu Sato, Yosuke Takubo, et al. 全75名（アルファベット順）
雑誌名： Physical Review D
DOI： 10.1103/PhysRevD.104.L091101
