ビームダンプ実験[1]は、高エネルギーの粒子ビーム（典型的には電子、陽子、場合によってはミューオン）を、粒子加速器のビームダンプに類似した「ダンプ」と呼ばれる高密度ターゲットに導く実験である。高密度ターゲットは一次ビームと衝突の従来のレプトン副産物を吸収し、興味のない粒子のバックグラウンドを低減する。物質と弱く相互作用し、十分に長い寿命を持つ粒子はダンプから出て検出することができる。新物理の探索において仮定される粒子の多くは弱く相互作用するため（例えば、暗黒物質候補）、ビームダンプ実験はそのような探索に適している。標準模型の粒子のほとんどはダンプに吸収されるため、この手法はニュートリノのような弱く相互作用する粒子の研究にも適している。
特徴
ビームは、フェルミ国立加速器研究所の陽子や欧州原子核研究機構（CERN ）[2]、SLAC [3]、ジェファーソン研究所[4 ]の電子など、粒子加速器で加速された粒子からできています。ビームは、いわゆる「ダンプ」と呼ばれる、タングステン、鉛、銅などの金属でできた厚くて密度の高い材料でできたターゲットに衝突し、ビームを止めて、電磁力や強い力で相互作用する粒子を吸収するように設計されています。
吸収されない粒子は、多くの場合間接的に検出されます。これらの粒子が不安定で、崩壊生成物が通常の粒子である場合、それらは物質と大きく相互作用するため、検出可能です。生成点は十分に特定されており、ダンプはほとんどの通常の粒子背景に対するフィルターとして機能します。検出器はダンプの下流に配置され、多くの場合、一次ビームによって直接生成された通常の粒子から遮蔽され、ダンプを妨害されずに通過する弱い相互作用粒子（ニュートリノ、アクシオン、またはその他の仮想的な「隠れたセクター」粒子など）を検出します。
ビームダンプ実験の利点は、弱い相互作用をする粒子に対して非常に感度が高く、マクロ的な寿命を持つ長寿命粒子を研究できること、そして通常の粒子のほとんどがダンプに吸収されるためバックグラウンドが低いことです。一方で、十分な信号を生成するために、また新しい物理に対する厳しい制限を満たすために、高いビーム強度が必要であり、慎重な遮蔽と検出器の設計が必要です。また、信号が生成モデルと崩壊モデルに依存するため、結果の解釈が複雑になる場合があります。
歴史
ビームダンプ実験は1960年代から1970年代に始まり、主に陽子加速器で行われてきた。[1]
1960年代: 陽子と高密度ターゲットの相互作用で生成されるニュートリノを主に研究するために、最初のビームダンプ実験がCERNとBNLで実施されました。
1970 年代: SLACとFermilabでのビームダンプ実験により、軽い中性ボソンや重いニュートリノなど、弱く相互作用する新しい粒子が体系的に探索され始めました。
1980 年代～ 1990 年代: ビームダンプ実験は、希少粒子の探索やニュートリノ断面積の測定に役立ちました。
2000年代～現在：暗黒光子、アクシオン様粒子（ALP）、軽い暗黒物質、その他の隠れたセクターの物理現象を探索するために、現代のビームダンプ実験が提案され実行されている。例えば、CERNのNA64実験[5] （電子ビームダンプ）、 SLACのE137 [3] 、ジェファーソン研究所のBDX [4]などである。
ビームダンプ実験による研究
ビームダンプ実験は、稀で弱い相互作用をする粒子を研究するために設計されています。
- ニュートリノ。高エネルギー陽子がダンプに衝突すると、パイ中間子とカオンが生成され、これらはニュートリノに崩壊します。ニュートリノはダンプを通過し、下流で検出されるため、その特性を測定することができます。[6]
- 標準モデルの仮説を超えて予測される、新しい光の弱い相互作用粒子。
- 暗黒光子: 標準模型に弱く結合する仮想的なベクトルボソン。
- アクシオンのような粒子 (ALP): 素粒子物理学の標準モデルのいくつかの拡張で予測される軽い擬スカラー。
- 重い中性レプトン (HNL):ステライルニュートリノの候補。
- 標準模型粒子の稀な崩壊。例えば、ビームダンプ実験では中性中間子がエキゾチック粒子に崩壊する現象を検出できる。
1960年代にBNLとCERNで行われた初期のビームダンプ実験は、ミューニュートリノの存在確認に貢献しました。また、高エネルギーにおけるニュートリノ断面積の初めての測定にも成功しました。現在では、これらの実験は新たな粒子に対する制限を課しています。NA64やBDXのような実験は、暗黒光子、アクシオン、重い中性レプトンに対する制限を課しています。例えば、E137（SLAC、1980年代）は、軽いアクシオンのような粒子が長距離で光子に崩壊することを制限しました。現在のビームダンプ実験は強度フロンティアの一部であり、衝突型加速器では到達できない暗黒物質や軽い隠れたセクター粒子のパラメータ空間を探査しています。NA64（CERN）は、サブGeV領域の暗黒光子に対して厳しい制限を設けています。
参考文献
- ^ ab Dydak, F. (1982). 「第18章：ビームダンプ実験」. Fiorini, Ettore Fiorini (編).ニュートリノ物理学と天体物理学. Springer New York, NY. pp. 341– 360. ISBN 978-1-4757-0521-8。粒子物理学の一種である
- ^ Ahdida, C.; et, al. (2021). 「提案されているCERN SPSビームダンプ施設におけるSHiP実験」. Eur. Phys. J. C. 82 ( 5) 486. doi :10.1140/epjc/s10052-022-10346-5. hdl : 10400.26/45467 .
- ^ ab Batell, B.; Essig, R.; Surujon, Z. (2014). 「SLACビームダンプE137からのサブGeVダークセクターに対する強い制約」. Phys. Rev. Lett . 113 (17) 171802. arXiv : 1406.2698 . Bibcode :2014PhRvL.113q1802B. doi :10.1103/PhysRevLett.113.171802. PMID 25379912.
- ^ ab De Napoli, Marzio (2019年5月20日). 「ジェファーソン研究所における光暗黒物質の生成と検出：BDX実験」. Universe . 5 (5): 120. Bibcode :2019Univ....5..120D. doi : 10.3390/universe5050120 .
- ^ Banerjee, Dipanwita (2019-11-05). Physics Beyond CollidersプロジェクトにおけるNA64実験でのダークセクター物理の探索. XXIX International Symposium on Lepton Photon Interactions at High Energies (LeptonPhoton2019). Vol. 367, art. 061. Toronto, Canada. arXiv : 1909.04363 . Bibcode :2019lpih.confE..61B. doi : 10.22323/1.367.0061 . 2025-11-09閲覧.
- ^ Berger, EL; Clavelli, L.; Wright, NR (1983). 「ビームダンプ実験における即発ニュートリノ生成」 . Phys. Rev. D. 27 ( 5): 1080– 1089. Bibcode :1983PhRvD..27.1080B. doi :10.1103/PhysRevD.27.1080.
参照
