アメリカのニュートリノ巨大プロジェクトが放棄された金鉱山で具体化

アメリカの最も野心的な素粒子物理学プロジェクトが現実に一歩近づいた。

深層ニュートリノ実験（DUNE）は、予算と基礎科学の両方の点で巨大なものになるだろう。サウスダコタ州リードの町から1マイル下にある、洞窟のような数百万ドル規模のエネルギー省の施設で、イリノイ州の研究所から放出されるニュートリノと呼ばれる幽霊のような粒子を捕捉するための籠手として機能する。

素粒子物理学者たちは、DUNE によって、宇宙の最も一貫した像である標準模型における最大の未解決の問題が最終的に解決されることを期待しています。それは、なぜ私たち（または何か）が存在するのかという人類最古の疑問についても語るかもしれません。

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いよいよ、存在感のあるキャッチャーミットが出来上がりました。昨日、以前はホームステーク金鉱山だったサンフォード地下鉛研究施設でのイベントに、プロジェクトリーダーと政府支持者が集まり、地下に送られる最初の鉄骨梁の承認を承認し、施設の探知機の建設を開始した。

サウスダコタ州のダスティ・ジョンソン下院議員は、「サウスダコタ州の住民として、この地球の小さな部分であるこの土地で、この主題についての理解を変えようとしているという事実は、非常に信じられないことだ」と述べた。 DUNE は主にエネルギー省を通じて資金提供されています。しかし、これは 38 か国が参加する国際協力であり、最初の船に使用される 1,000 万ポンドの鋼材は、欧州の素粒子物理学研究所である CERN によって寄付されました。

「DUNE は 20 年以上にわたって物理学コミュニティの多くの人たちの夢でした」と DUNE コラボレーションの共同スポークスマンである Sowjanya Gollapinni 氏は述べています。 「それが現実になる瞬間です。」

ニュートリノは、幽霊のように物質の中を航行する、ほぼ無重力の粒子です。他の既知の粒子は、その相互作用においてこれほど臆病ではありません。ニュートリノは、単一の原子に触れることなく、光年の鉛のブロックを通過できます。それはシェイプシフターでもあります。ニューヨーク市から西に向かうビームでニュートリノの 3 つの「フレーバー」のうちの 1 つが生成され、ロサンゼルスの友人が測定すると、そのニュートリノはおそらく異なるフレーバーを持つことになるでしょう。

これらの驚くべき性質が、ニュートリノが標準模型のすべての特徴の中で最も理解されていない理由です。物理学者は、3 つのニュートリノの質量がどのように順序付けられているかを言うことさえできず、ましてやその正確な値を特定することさえできません。彼らは、粒子の奇妙な点が、標準模型によって提起された準哲学的な質問、つまり、なぜ何よりも先に何かがあるのか​​? に対する答えを持っているのではないかと期待しています。

ニュートリノとそのような重い物質との関係は、基本的にすべての基本的な物質生成プロセスが同じ数の反物質も生成するという事実に基づいています。しかし、ビッグバンの結果は、どういうわけか反物質よりもわずかに多くの物質でした。宇宙のすべての銀河、塵、生物は、この小さな過剰に属しています。多くの物理学者は、ニュートリノの奇妙な形状変化の挙動が、この宇宙のパズルにおいて重要な役割を果たしたのではないかと疑っています。

科学者たちは、ニュートリノを発生源（粒子衝突器や原子炉など）から遠く離れた検出器に送ることによって、数十年にわたってニュートリノの「振動」を研究してきました。次に、通過中に味を変えたニュートリノの数を測定します。

DUNE は、このアプローチを限界まで押し上げることを目指しています。物理学者らは、イリノイ州バタビアにあるフェルミ研究所の粒子加速器を使用して、これまでで最も強力なニュートリノビームを生成する予定である。このニュートリノビームは、正式には長基線ニュートリノ施設（LBNF）と呼ばれるDUNEの仲間である。 LBNFはフェルミ研究所から下と西に向けられ、800マイル離れた鉛の下にある砂丘の洞窟の中心部に直接照準を合わせ、そこには数千万ポンドの液体アルゴンが満たされることになる。

「DUNEに関するすべてが前例のないものです。最も強力なニュートリノビーム、最大の液体アルゴン検出器、ニュートリノが到達する最長の距離などです」とゴラピンニ氏は言う。 「本当にすごいですね。」

凍ったり沸騰したりせずに液体を保つには、すべてのアルゴンを華氏マイナス 300 度から数度離れた極寒の狭い範囲内に保管する必要があります。アルゴン原子は、ごくまれに通過するニュートリノに衝突すると電子を放出し、物理学者が検出できる信号を生成します。しかし、それが起こる前に、DUNE スタッフはアルゴン用に 2 つの巨大な鋼製コンテナを構築する必要があります。これは現在始まっているプロジェクトのフェーズです。

最初のステップでは、幅 20 フィートの立坑を通して 1,000 万ポンドの鉄骨梁を地下に掘り込みますが、これは最初のコンテナを覆うだけです。プロジェクトリーダーらはこの作業をガラス瓶の中に船を建造することに例えているが、瓶の首の長さが1マイルあり、船が10分の1スケールの航空母艦である点が異なる。彼らは最初のコンテナを約9か月以内に完成させたいと考えている。

しかし、たとえ両方のキャニスターを組み立てたとしても、それらのキャニスターをこれまでに作られた中で最も精巧で感度の高いニュートリノ検出器となるように準備する必要がある。アルゴンを導入する前に、容器を何百もの巨大なワイヤーグリッドで結び付ける必要があります。各ワイヤーグリッドは、現在建設中の数千本の手作業で吊り下げられた細いワイヤーで構成されています。

このプロジェクトの壮大な野望はすでに約5年間の遅れを重ねており、納税者の​​負担は総額で50億ドル近くにまで上昇している。現在の目標は、2030年初頭までに最初の検出器を稼働させることだ。つまり、最良の場合でも、DUNEがニュートリノの質量秩序を決定できるのは2034年になる可能性があり、物質と反物質の不均衡の問題に対する答えは、その10年後半まで得られないことになる。

物理学者の現実の最良のモデルにおける究極の粒子を解明するという実際の世界的な競争において、競争相手が米国だけではないことを考えると、待つには長い時間がかかる。日本のハイパーカミオカンデ（Hyper-K）ニュートリノ実験は、2028年のデータ取得開始に向けて順調に進んでいる。ハイパーKはDUNEよりも先に物質と反物質の非対称性を測定する可能性があるが、それができるかどうかは、日本のプロジェクトがどれだけ予定通りに進められるか、そしてまだ未知の答えがこの競合プロジェクトのより控えめなアプローチで手の届くかどうかにかかっている。

一方、中国の江門地下ニュートリノ観測所（JUNO）実験は、昨年末に最初の結果を発表した。 JUNO は本質的に、香港の西約 90 マイルにある地下施設 DUNE の縮小された完全に独立したバージョンであり、2 基の原子炉からのニュートリノ ビームの経路に小型の異なる液体検出器を設置します。中国のプロジェクトはすでに、順序を決定する重要な部分である、2つの最小ニュートリノ質量間のギャップについて世界トップレベルの精度を提供している。 JUNO はその答えで DUNE に勝つことを望んでいますが、それは物質の過剰を解決するためだけに作られたものではありません。

シカゴ大学のDUNE物理学者、エドワード・ブルーチャー氏は、「人々は毎日『自分たちが最初にならなければならない』と考えて過ごしているとは思わない」と語る。 「20年後には、この種の科学についてもっと多くのことが分かるようになり、Hyper-K、JUNO、DUNEで測定された結果が得られるようになるでしょう。」

「私たちは皆、このプロジェクトに巨額の投資が行われており、それを成功裏に実行しなければならないことをよく認識しています」とBlucher氏は締めくくった。 「この実験自体にとっても非常に重要ですが、アメリカの素粒子物理学の将来にとっても非常に重要だと思います。」