プロジェクト 8 はニュートリノの質量測定における重要なマイルストーンです。ニュートリノは、通常の物質の中を難なく移動し、私たちの宇宙を構成する粒子の中で重要な役割を果たしているとらえどころのない素粒子です。私たちの宇宙がどのように形成されたかを完全に説明するには、その質量を知る必要があります。しかし、私たちの多くと同じように、体重を測られることを避ける方法を見つけています。
2022 年、KATRIN 研究チームはニュートリノの質量の上限を決定しました。この画期的な成果は、数十年にわたる努力の結果でした。しかし、これらの結果は検索ウィンドウを狭めるだけです。 KATRIN は間もなくその検出限界に達し、さらには 1 日でも検出限界を超えるでしょうが、羽毛級のニュートリノはさらに軽い可能性があり、「次は何ですか? 次は何ですか?」という疑問が生じます。
ここで見られるサイクロトロン放射分光法 (CRES) は、とらえどころのないニュートリノの質量を決定することを目的としたまったく新しいアプローチの鍵となります。出典: アレック リンデマン、プロジェクト 8 チーム
ゴースト粒子の追跡
最新の研究で、プロジェクト 8 チームは、まったく新しい技術を使用してベータ崩壊と呼ばれる自然現象を確実に追跡および記録できることをジャーナル Physical Review Letters に報告しています。水素の稀な放射性変異体であるトリチウムが崩壊して 3 つの亜原子粒子 (ヘリウム イオン、電子、ニュートリノ) になると、それぞれの崩壊で微量のエネルギーが放出されます。
プロジェクト 8 が最終的に成功するかどうかは、野心的な計画にかかっています。ほとんどの検出器技術を問題なく通過できるニュートリノを直接検出しようとするのではなく、チームは次のように要約できる単純な測定戦略を使用しました。
アインシュタインは、トリチウム原子の総質量はその各部分のエネルギーに等しいと言いました。ベータ崩壊によって生成される自由電子を測定すると、総質量がわかり、「失われた」エネルギーはニュートリノの質量と運動です。
エネルギー省太平洋岸北西部国立研究所のプロジェクト8の主任研究員の1人であるブレント・ヴァンデベンダー氏は、「原理的には、技術が発展し規模が拡大するにつれて、ニュートリノの質量を決定するのに必要な範囲に到達することが可能になるかもしれない」と述べた。
なぜ項目 8 なのか?
これらの研究者たちは、長所と短所を検討し、実現可能であると結論付けたため、この野心的な戦略を追求することを選択しました。
タリア・ワイスはエール大学の原子核物理学の大学院生です。彼女とプロジェクト 8 の同僚は、電子信号と電子背景ノイズを正確に区別する方法を何年も研究してきました。 Christine Claessens はワシントン大学の博士研究員です。彼女はドイツのマインツ大学のプロジェクト 8 で博士号を取得しました。 Weiss と Claesens は 2 つの最終解析を実施し、新しい技術から得られるニュートリノ質量に最初の制約を課しました。
「ニュートリノは信じられないほど軽い。電子の50万倍以上軽い。したがって、ニュートリノと電子が同時に生成された場合、ニュートリノの質量が電子の運動に与える影響は最小限である。私たちはこの小さな影響を知りたいのである。したがって、電子がどのくらいの速さで動いているかを測定する超正確な方法が必要である」とワイス氏は語った。
プロジェクト 8 は、10 年以上前に当時 MIT に勤務していた物理学者のジョー フォルマジオ氏とベン モンレアル氏によって考案された、まさにそのようなテクノロジーに依存しています。国際チームがこのアイデアをもとに結集し、このアイデアを実用的なツールにするためにプロジェクト 8 を結成しました。この方法はサイクロトロン放射分光法 (CRES) と呼ばれます。生まれたばかりの電子が磁場中で回転するときに放出されるマイクロ波放射を捕捉します。これらの電子は、ベータ崩壊中に放出されるエネルギーのほとんどを運び去りますが、すべてではありません。ニュートリノの質量を明らかにするのは、この失われたエネルギーです。 CRES技術がトリチウムのベータ崩壊を測定し、ニュートリノの質量の上限を設定するために使用されたのはこれが初めてである。
科学者はニュートリノの重さをどのように量るのですか?画像出典: パシフィック・ノースウェスト国立研究所のサラ・レビン氏が制作したアニメーション
革新的な手法と課題
ニュートリノの質量を解明するには電子のエネルギーが鍵となるため、研究チームはこれらの電子を追跡することだけに興味を持っていた。この戦略は以前にも使用されましたが、CRES 検出器によって測定される電子エネルギーは非常に重要であるため、そのスケーラビリティの可能性は既存のテクノロジーを超えています。そして、この拡張性が Project 8 の特徴です。 Elise Novitski はワシントン大学の助教授であり、新しく出版された研究の多くの側面を主導しました。
「誰もこんなことをしていない」とノビツキーは語った。 「私たちは既存のテクノロジーを採用して微調整しようとしているわけではありません。私たちはある意味、西部開拓時代にいるのです。」
シアトルのワシントン大学で行われた最新の実験では、研究チームは82日間の実験期間にわたって、エンドウ豆大のサンプルセル内で3,770回のトリチウムベータ崩壊現象を追跡した。サンプルセルは極低温に冷却され、出現する電子を長時間捕捉する磁場に置かれ、システムの記録アンテナがマイクロ波信号を記録できるようにします。
何よりも、チームは、本物の信号と間違われる可能性のない誤った信号や背景イベントを記録しませんでした。非常に小さなバックグラウンドでもニュートリノ質量信号がマスクされ、有用な信号の解釈がより困難になる可能性があるため、これは重要です。
PNNL の実験物理学者ノア・オブラス氏率いるプロジェクト 8 の研究者らは、生データを取得して分析可能な信号に変換するための、さまざまな昆虫にちなんで名付けられた一連の特殊なソフトウェアも開発しました。プロジェクト エンジニアも、プロジェクト 8 を成功させるために、工夫を凝らし、さまざまな部品を発明しました。
「当社のエンジニアはこの作業に不可欠です」とノビツキー氏は語った。 「エンジニアの観点から見ると、これは素人のアプローチです。実験物理学は物理学と工学の接点にあります。これらのことを実現するには、特に冒険心のあるエンジニアと実践志向の物理学者が協力する必要があります。これらのことは教科書に載っていないからです。」
最後に到達する
研究チームは、設計と実験システムがトリチウム分子を扱うことができることを実証したので、彼らには緊急の課題が待っています。チームの一部は次のステップ、つまり個々のトリチウム原子を生成、冷却、捕捉できるシステムの構築に取り組んでいます。トリチウムは、より豊富に存在する水素と同様、分子を形成することを好むため、このステップは注意が必要です。これらの分子により、プロジェクト 8 チームの最終目標の達成は不可能になります。マインツ大学の物理学者が主導する研究者らは、複雑な磁石の配列を使用して原子状トリチウムを生成および捕捉するためのテストベッドを開発中です。これにより、トリチウム原子は細胞壁でほぼ確実に分子形態に戻るため、原子トリチウムがサンプル細胞壁と接触することが防止されます。
この技術の進歩と機器全体のアップグレードは、KATRIN チームが達成する感度に到達し、最終的にはそれを超えるための重要なステップとなります。
現在、10の研究機関のメンバーで構成された研究チームは、豆粒ほどのサンプルチャンバーからその1,000倍のサンプルチャンバーに実験をスケールアップする設計をテスト中です。このアイデアは、より大きな盗聴装置を使用して、エンドウ豆のサイズからビーチボールのサイズまで、より多くのベータ崩壊イベントを捕捉することです。
「プロジェクト 8 は、より大規模で優れた CRES 実験であるだけでなく、最初の CRES 実験であり、この検出技術を初めて使用したものでもある」とオブラス氏は述べた。 「これはこれまでに行われたことがありません。ほとんどの実験は、少なくとも使用されている検出技術を含めて、50年か100年前のものであり、これは本当に新しいものです。」