FASER実験とは


はじめに

宇宙観測によって、人類がこれまでに検出できている物質（通常の物質）は宇宙に占めるエネルギーの約5パーセントに過ぎないことが分かっています。残りの27パーセントの寄与がまだ発見されていない未知の素粒子（暗黒物質）、68パーセントが未知のエネルギー（暗黒エネルギー）だと考えられています。

通常の物質についての素粒子理論（標準模型）は既に完成されており、あらゆる実験結果を矛盾なく説明できています。一方、標準模型は暗黒物質や暗黒エネルギーは取り扱っておらず、宇宙全体を記述する理論としては不十分です。そのため、宇宙の理解を深めるためには、未知の新素粒子を発見し、暗黒物質がどのような物理法則に従っているのかを明らかにする必要があります。

宇宙の謎を紐解くために世界中でさまざまな新粒子の探索が行われています。FASER実験は新たに開始される新粒子探索実験です。

FASER実験

FASER実験は、スイスのジュネーブにある欧州原子核研究機関(CERN)の大型ハドロン衝突型加速器(LHC: Large Hadron Collider)を利用した新粒子探索実験です。LHCには4つの大型実験（ATLAS、CMS、LHCb、ALICE）が行われており、LHCで加速される粒子を用いてさまざまな測定が行われています。その中でも、ATLASでは光速に近い速度に加速された陽子と陽子を衝突させて、宇宙初期のビッグバンに近い状態を作り出しています。そして、そのような高エネルギー状態で発生する粒子を観測することで、新粒子の探索などを行っています。

FASER実験は、ATLAS実験の陽子・陽子衝突で発生した新粒子が、480m先に設置してある検出器の中で電子などの通常の粒子に崩壊する事象を捕らえることを目指しています。ATLAS実験でも新粒子の探索を行っています。しかし、新粒子が電荷を持たず、長い寿命を持っている場合、検出器と反応せずにそのまま突き抜けてしまいます。そうなると、新粒子を捕らえることはできません。FASER実験では、陽子・陽子衝突で発生し、480m離れた場所で崩壊するほどの長い寿命をもつ新粒子の発見を目指しています。

FASER sketch


我々は2018年にFASER実験の提案をし、2019年春にCERNに承認されました。その後、急ピッチで検出器の開発を進め、2020年秋にはFASER検出器を地上で組み上げました。そして、2021年春に実験エリアにFASER検出器を設置しました。2021年秋にFASERν検出器を実験エリアに設置し、2022年春からのLHC Run3に合わして実験を開始しました。

FASER schedule


FASER検出器

FASER検出器は以下の検出器要素で構成されています。 ATLAS実験の陽子・陽子衝突では、通常の物質粒子が大量に生成されます。その一部は岩盤などを通り抜けて、480m離れたFASER検出器までやってきます。一方、FASER実験で検出を目指している新粒子は、検出器の中にやってくるまで反応しません。通常の物質粒子と新粒子を区別するために、FASER検出器のもっとも手前にシンチレータ検出器を設置します。通常の物質粒子はシンチレータ検出器と反応を起こしますが、新粒子は反応しません。そのため、もしシンチレータ検出器が反応した場合は、通常の物質粒子だと判定することができます。

シンチレータ検出器の後段に、3台の0.55テスラの永久ダイポール磁石を設置しています。FASER実験では、この磁石の中で電子などの通常物質粒子に崩壊する新粒子を検出します。新粒子がもし電気を持った粒子（荷電粒子）に崩壊する場合、正（＋）と負（ー）の電気をもった粒子対（電子と陽電子、など）が出てきます。LHCの陽子・陽子衝突で発生する新粒子は高速でやってくるので、崩壊後の荷電粒子対は非常に近接しています。磁石の磁力は荷電粒子に作用し、正と負の荷電粒子を逆方向に曲げることができます。これによって、粒子対を分離することができます。3台の磁石の間には飛跡検出器が設置されていて、新粒子が崩壊した後の荷電粒子を捕らえることができます。

FASER検出器の最も後段には電磁カロリメータが設置されています。新粒子がもし電子や光に崩壊した場合、このカロリメータによって捕らえることができます。さらに、エネルギーを測定することもできます。

FASER tracker


FASER検出器アップグレード

現在のFASER検出器は、新粒子が荷電粒子に崩壊する事象を捕らえるために検出器が最適化されています。一方、アクシオンと呼ばれる新粒子は２つの光子に崩壊すると考えられています。光子はカロリメータで捕らえることができますが、現在のFASER検出器のカロリメータは細分化されていないため、複数の光子を分離して捕らえることができません。FASER検出器にはミューオン起因の光子など、新粒子とは関係のない光子が背景事象としてやってきます。新粒子からの2つの光子と背景事象とを区別するためには、2光子を識別する能力をもった新たな検出器を導入する必要があります。

FASER実験では、2光子を分離できる能力をもった前段シャワー検出器と呼ばれる検出器を導入することにしました。この検出器はタングステンとピクセル検出器のサンドイッチ構造を6層並べたものです。光子がタングステンに入射すると、電磁シャワーと呼ばれる電子・陽電子のシャワーを起こします。この電磁シャワーを100マイクロメータ(0.1ミリ)角に細分化されたピクセル検出器で捕らえることで、複数の光子を個別に捕らえることができます。

前段シャワー検出器の開発は、九州大学、KEK、ジュネーブ大学、マインツ大学の共同プロジェクトで、2020年から開始しました。LHC加速器は高輝度化の改良のために、2025年12月に長期シャットダウンに入り、2029年まで運転が行われません。我々は長期シャットダウンの前に、アクシオンなどの2光子に崩壊する新粒子を探索したいと考えています。そのため、2025年春に前段シャワー検出器を導入することを目指して開発を加速しています。
preshower




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