WISArD実験
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WISArDのISOLDEビームラインの眺め

32Ar崩壊による弱い相互作用の研究（WISArD ）実験は、欧州原子核研究機構（ CERN）のISOLDE施設に設置された常設の実験装置です。この実験の目的は、原子核から放出されるベータ遅延陽子を観測することで弱い相互作用を調査することです。[1]長期シャットダウン2の間、同位体生成がオンラインで行われなかったため、この実験装置はベータエネルギースペクトルの形状を測定するためにも使用されました。[2]この実験の目標は、弱い相互作用における電流の既存の限界を拡大することで、標準模型（SM）を超える物理を探求することです。 [3]

WISArD実験装置はWITCH実験の超伝導磁石と既存のインフラストラクチャを再利用しています。[4] [3]

背景

標準モデルは4つの基本的な相互作用のうち3つを記述し、既知の素粒子をすべて分類します。ヒッグス粒子の発見によって基本的に確認されましたが、特に弱い相互作用に関しては、未解決の疑問が数多く残っています。標準モデルは弱い相互作用に対して特定のベクトル-軸ベクトル（V-A ）形式論を提案していますが、他の寄与も理論によって排除されているわけではありません。純粋フェルミ（F）崩壊や純粋ガモフ-テラー（GT）崩壊など、よく選択されたベータ崩壊の測定は、これらの他の寄与の実験的証拠となる可能性があります。なぜなら、ベータ崩壊は原子核構造に関連する効果による擾乱が最小限であり、純粋な遷移は基礎となる原子核相互作用とは無関係だからです。[3] [5]

ベータ粒子とニュートリノの運動量を決定することで、非標準的寄与の程度を定量化する相関係数を決定することができる。 [3]しかし、この種の実験ではニュートリノを観測・測定することは実質的に不可能である。その特性は、ベータ粒子とベータ崩壊娘核の反跳を測定することで、三体運動学から決定することができる。WISArD実験では、反跳の測定は、反跳核から放出される陽子の特性の測定に置き換えられる。実験装置の同じ半球と反対側の半球で放出される陽子のエネルギーをベータ粒子に対して比較することで、2つのケース間の運動学的シフトを測定することができる。この運動学的シフトは、ベータニュートリノ相関を推論するために必要な情報を含んでおり、標準模型を超えた物理学へのアクセスを提供する。[6] [7] [3]

あるいは、非標準的寄与は、連続ベータエネルギースペクトルの形状を非常に正確に測定することで研究できる。検出器内では、ベータ粒子は軌道に沿って大きな角度で偏向を受け、検出器に入った粒子は同じ表面から再び出てくるほどの偏向を受ける可能性がある。これは後方散乱と呼ばれ、従来のスペクトル形状測定における本質的な制約である。WISArDでは、高磁場内に2つの検出器を向かい合わせて設置することでこの問題を軽減し、後方散乱したベータ粒子を効果的に反対側の検出器へと誘導する。[2]

実験セットアップ

アルゴン同位体32Arの放射性イオンビーム（RIB）は、ISOLDE施設において、スパッタリング反応（高エネルギー粒子を標的に衝突させる反応）によって生成され、続いて標的からのアルゴン原子の熱拡散によって生成される。 [3]ビームは抽出・加速された後、高解像度分離装置（HRS）または汎用分離装置（GPS）によって質量分離される。[6] [3]その後、このビームはビームラインを介してWISArD実験装置に送られる。[6]

WISArDビーム輸送システムは、イオン源（IBL）、水平（HBL）、垂直（VBL）、ソレノイドマグネット（SBL）のビームラインで構成されています。IBLは安定したイオンビームを生成し、イオン化ユニット、円錐状の グラファイトシリンダー、引き出し電極、引き出しレンズで構成されています。HBLはRIBを2つのキッカーベンダーアセンブリと高電圧アインツェルレンズで構成される後続セクションに輸送します。VBLは円筒形の電極を使用してビームを集束させ、SBL領域に注入します。最後から2番目の電極はアインツェルレンズとして使用されます。[3] [8]超伝導マグネットセクションは、以前のWITCHマグネットを使用して最大9Tの磁場を生成し、真空管を囲んでいます。[9]

検出装置（DSet2018）は、検出器を支え、アセンブリ全体を拘束する4本のアルミニウム棒で構成されています。さらに、ベータ粒子検出用のシンチレーション検出器、ベータ遅延陽子検出用のシリコン検出器、放射性アルゴンビームを照射するためのキャッチャーフォイル、そして208 Poアルファ線源があります。[3]キャッチャーフォイルは磁場の中心に配置され、その上下に4つのシリコン検出器が配置されています。[10] 陽電子は磁場によってシンチレーション検出器に導かれます。[6]

アップグレード

2018年のWISArDの最初の実行に続いて、セットアップにいくつかのアップグレードが行われました。[3]

イオンビームシステムの総輸送効率は、2018年11月から2021年アップグレードまでに12%から90%近くに向上しました。[7]これは、ビームラインの静電要素を最適化し、ビームがフリンジフィールド領域に入る前にビームを集束させることでフリンジフィールド（外部磁場）の影響を低減することによって実現されました。[3]

この実験のために新しいシリコン検出器が特別に設計され、立体角カバレッジとエネルギー分解能が向上しました。さらに、プラスチックシンチレーション検出器を改良して検出閾値を下げ、後方散乱の影響を抑制しました。[7] [3]さらに、相関係数の所望の精度レベルを達成するために必要な情報であるアルゴンビームの位置と広がりを測定するために、より優れた小型マイクロチャンネルプレート（MCP）が設計されました。[3]

結果

2018年11月に行われた32 Arを用いた最初のベータニュートリノ相関実験の結果は、陽子の運動エネルギーシフトの測定とシステムのテストに成功し、原理実証を示した。[6] 2021年に行われた新たなテストでは、新しいセットアップのすべてのコンポーネントが機能し、最初の実験に対する改善が達成されたことが示された。[3] 32 Arを用いた本格的な実験は2024年前半に実施される 予定である。

2020年11月と12月に、 114 Inを用いた最初のベータスペクトル形状測定が行われた。これにより、このような重い原子核における弱い相互作用によるベータ崩壊に対する強い相互作用の影響の大部分を占める弱い磁性形状因子が初めて実験的に決定された。[2]この結果は、代わりにマルチワイヤドリフトチェンバーベースのベータスペクトロメータを使用した双子実験の結果と一致している。[11]

参考文献

  1. ^ “WISArD | ISOLDE”. isolde.cern . 2023年8月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年8月16日閲覧。
  2. ^ abc Vanlagendonck, Simon; Severjins, Natalie (2023). 「弱磁性が114Inベータエネルギースペクトルの形状に及ぼす影響」.ルーヴェン・カトリック大学博士論文.
  3. ^ abcdefghijklmn アタナソフ、D.;クレスト、F.ニース、L.ポモルスキー、M.フェルステーゲン、M.アルフォルト、P.アラウホ・エスカロナ、V.アッシャー、P.ブランク、B.ドーディン、L.ギエ、D.フレチャード、X。ハ、J。ハッソン、A.ジェルボー、M. (2023-05-01)。 「放射性イオンビームWISArDによる弱い相互作用研究のための実験装置」。物理学研究における核機器および方法 セクション A: 加速器、分光計、検出器および関連機器。1050 168159。ビブコード:2023NIMPA105068159A。土井：10.1016/j.nima.2023.168159。ISSN  0168-9002。
  4. ^ Araujo-Escalona,​​ Victoria Isabel (2021年6月29日). 「32Ar崩壊、弱い相互作用におけるエキゾチックな電流寄与の探索」.ルーヴェン・ルーヴェン大学.
  5. ^ Severijns, N; Blank, B (2017-07-01). 「ISOLDEにおける弱相互作用物理」(PDF) . Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . 44 (7): 074002. Bibcode :2017JPhG...44g4002S. doi : 10.1088/1361-6471/aa71e3 . ISSN  0954-3899.
  6. ^ abcde アラウホ＝エスカロナ、V.;アルフォルト、P.アッシャー、P.アタナソフ、D.ブランク、B.ドーディン、L.フレチャード、X。ジェルボー、M.ジョヴィナッツォ、J.グレヴィ、S.クルトゥキアン・ニエト、T.リエナード、E.ニース、L.ケメネール、G.ロシュ、M. (2019-08-01)。 「ベータニュートリノ相関からのスカラー電流制限：WISArD実験」。物理ジャーナル: カンファレンス シリーズ。1308 (1) 012003。書誌コード:2019JPhCS1308a2003A。doi : 10.1088/1742-6596/1308/1/012003 . ISSN  1742-6588.
  7. ^ abc アルフォールト、P;アッシャー、P;アタナソフ、D;空白、B;クレスト、F;ドーディン、L;フレッチャード、X;ガルシア、A;ジェルボー、M;ジョヴィナッツォ、J;グレビー、S;はあ、J;クルトゥキアン・ニエト、T;リナード、E;他。 （2022年1月4日）。 「ベータ遅延プロトン放出による弱い相互作用の研究」(PDF)。ISOLDE および Neutron 飛行時間委員会。
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  9. ^ Nies, Lukas (2018年9月21日). 「WISArDに向けた進展：32Ar崩壊による弱い相互作用研究（WISArD）実験のためのビームラインシミュレーションと検出器研究」（PDF） . CERNサマースチューデントレポート.
  10. ^ アラウホ＝エスカロナ、V.アタナソフ、D.フレチャード、X。アルフォルト、P.アッシャー、P.ブランク、B.ドーディン、L.ジェルボー、M.ジョヴィナッツォ、J.グレヴィ、S.クルトゥキアン・ニエト、T.リエナード、E.ケメネール、G.セベリンス、N. Vanlangendonck、S. (2020-05-13)。 「β陽子のコインシデンスを用いたAr 32の純粋なフェルミ遷移と純粋なガモフ・テラー遷移におけるβニュートリノの角度相関の同時測定」(PDF)。物理的レビュー C . 101 (5) 055501.土井:10.1103/PhysRevC.101.055501。ISSN  2469-9985. S2CID  186206837.
  11. ^ De Keukeleere, Lennert (2021年9月7日). 「マルチワイヤドリフトチャンバーを用いたベータスペクトル形状測定」(PDF) . PANIC2021 カンファレンス.
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