はじめに
ニュートリノはどんな物質でも通り抜ける幽霊粒子とも呼ばれる素粒子です。しかし、非常に小さい確率で物質と相互作用をするので、大きな検出器を用意することで稀に検出器と反応するニュートリノを捕らえることができます。例えば、岐阜県の神岡鉱山跡に設置されているスーパーカミオカンデは、直径39.3メートル、高さ41.4メートルの円筒形をした巨大な水タンクで、ニュートリノと水との反応を観測しています。ニュートリノはLHCの陽子と陽子の衝突でも大量に生成されています。しかも、LHCからのニュートリノは、人類が作り出せる最も高いエネルギーを持っています。さらに、ニュートリノには電子型、ミュー型、タウ型の3種類がありますが、LHCでは全ての型のニュートリノを作り出すことができます。LHCを用いれば、これまでにない特色のあるニュートリノ研究を行うことができます。
FASERν
FASERνはFASER検出器の手前にニュートリノ検出器を設置して、LHCの陽子・陽子衝突で作り出されるニュートリノを観測する計画です。ニュートリノが物質と荷電カレント反応と呼ばれる相互作用を起こすと、電荷を持った粒子が出てきます。例えば、電子ニュートリノが荷電カレント反応を起こすと電子が出てきます。一方、ミューニュートリノが荷電カレント反応を起こすとミューオンが出てきます。このように、反応後に出てくる荷電粒子の種類によって、ニュートリノの種類を特定できます。さらに、ニュートリノが荷電カレント反応を起こすと、負の電荷をもった粒子が出てきます。一方、反ニュートリノの場合は、正の電荷を持った粒子がでてきます。このように、荷電粒子の電荷が正か負かを特定できれば、ニュートリノと反ニュートリノを識別することができます。FASERνは荷電粒子の識別能力を持っているため、3種類のニュートリノの反応を分離して測定することができます。さらに、FASERνはミューオンとタウの電荷を特定する能力をもっているので、ミューニュートリノとタウニュートリノについて、粒子・反粒子を分けて測定することができます。衝突型加速器で生成されるニュートリノの観測はFASERνが初めての試みとなります。また、もしタウニュートリノと反タウニュートリノをそれぞれ個別に測定できれば、史上初めてのことになります。その他、FASERνではこれまでに観測されていないエネルギー領域のニュートリノを測定対象としています。
FASERν検出器
FASERν検出器はエマルション検出器とインターフェース飛跡検出器で構成されています。エマルション検出器は、原子核乾板と1ミリ厚のタングステンをサンドイッチ構造にしたものを770枚並べた構成になっています。LHCの陽子・陽子衝突で作り出されたニュートリノは、タングステン層で反応し、そこから出てくる荷電粒子を原子核乾板で捕らえます。インターフェース飛跡検出器は、FASER飛跡検出器と同じものを用いています。ニュートリノがエマルション検出器で荷電カレント反応を起こすと、反応によって出てきた荷電粒子はインターフェース飛跡検出器を通り抜け、そのままFASER検出器を通過していきます。インターフェース飛跡検出器は、エマルション検出器とFASER検出器で捕らえられた荷電粒子の飛跡を上手く接続するために、それらの中間地点での飛跡を捕らえる役割を果たします。