デビッド・B・クライン
デビッド・B・クライン教授、1983年
1979年の宇宙線会議にて、デビッド・B・クラインは他の物理学者たちと共に
クライン氏をはじめとする物理学者たちが、塩鉱山で撮影された。[編集者注：ニュートリノ検出器が設置された場所と思われる]

デイビッド・ブルース・クライン（1933年12月7日 - 2015年6月27日）は、ヒッグス粒子、W粒子、Z粒子の発見に貢献したアメリカの素粒子物理学者でした。[ 1 ]ウィスコンシン大学マディソン校で博士号を取得後、同大学の物理学部に加わり、「フェノ・グループ」を設立しました。[ 2 ]フェノメノロジー（現象学）の略称であるこのグループは、素粒子物理学者で構成され、実験の設計と実行に加え、現在の素粒子物理学の標準モデルを超える理論モデルの開発も行いました。[ 3 ]その後、UCLAに移り、UCLA物理学・天文学部の発展に貢献した功績により、物理学・天文学の特別教授に就任しました。[ 4 ]

クラインは、米国の粒子加速器である超伝導超大型衝突型加速器ではなく、欧州原子核研究機構（CERN ）の大型ハドロン衝突型加速器で働くことを選択した。[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]そこにいる間、彼と他の人たちはコンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）実験を設立した。この実験は、現在でも標準モデルの調査に使用されており、史上最大の国際科学協力の1つとなっている。[ 4 ] [ 6 ]クラインは、 ICARUSニュートリノ検出器の開発にも携わった。[ 7 ] [ 8 ] [ 4 ]完成すれば、太陽ニュートリノとCERNからのビームを検出する目的で建造された当時最大の検出器となるはずだった。[ 4 ] [ 1 ]  

キャリアの後半では、クラインはその興味を天体素粒子物理学に移しました。[ 1 ]彼は、タイムプロジェクションチェンバーを使用して検出を強化するために、粒子検出器で液化希ガスを使用する先駆者でした。[ 9 ]これはニュートリノ振動の調査作業を容易にしただけでなく、検出器への希ガスの導入は暗黒物質の検出にも利用できる可能性があります。[ 7 ]暗黒物質の捉えどころのない性質に触発されたクラインは、暗黒物質研究のための2年に1度の国際会議を組織し、2020年3月に第14回会議を開催する予定です。[ 10 ]

幼少期と教育

クラインは1933年12月7日、カンザス州ローズデールで生まれた。同市内のローズデール高校に入学、卒業し、除隊後、カンザス州立大学に入学、1959年に物理学の学士号、1961年に物理学の修士号を取得した。[ 11 ] その後も研究を続け、ウィスコンシン大学マディソン校でウィリアム・フライ博士の指導の下、博士号を取得した。[ 1 ] 1965年に「正K中間子のまれな崩壊モードの研究」と題した博士論文を完成させた。[ 12 ] [ 1 ]博士論文では、当時未発見だった帯電Wボソンと電気的に中性なZボソンの存在を調査した。彼は崩壊するK中間子の観察により中性弱力キャリアの存在を否定したが、後にCERNでの実験で特定の相互作用にはZボソンの存在が必要であると主張されたときに、彼はこの信念を撤回した。[ 1 ]

経歴

1967年、クラインはウィスコンシン大学の教員に任命されました。[ 13 ]就任後、彼は理論と現象論の両面で幅広い素粒子物理学の研究に取り組む物理学者で構成される「フェノ・グループ」の共同設立者となりました。[ 3 ]

同年、クラインはCERNで働き始め、ペンシルバニア大学のアルフレッド・E・マン、ハーバード大学のカルロ・ルビアとともに、チームは新しいフェルミ国立加速器研究所の加速器複合施設でニュートリノビームを使用して弱い力を研究する最初の実験を開始する文書を作成した。[ 14 ]不確実な期間の後、クラインと共同研究者は、特定のニュートリノ相互作用には弱い中性カレントの存在が必要であるというジュネーブのCERN研究所の主張に同意した。[ 11 ] 1976年に、グループは CERN のシングルビーム陽子加速器をデュアルビーム陽子反陽子衝突型加速器にアップグレードすることを提案した。この 270 GeV 反陽子陽子衝突型加速器の設置と、より高度なビーム冷却技術の実装により、中間ベクトルボソン(IVB) の研究が促進された。理論上の質量は80～90 GeVで、衝突型加速器の高エネルギーによってこれらの粒子が初めて観測されると期待されていました。[ 15 ] CERNでの実験は成功し、1983年にIVBが検出され、弱い力と電磁力が初めて区別されました。[ 1 ] [ 4 ]この発見により、 WボソンとZボソンの発見でカルロ・ルビア博士とサイモン・ファン・デル・メール博士に1984年のノーベル物理学賞が授与されました。[ 16 ]

WボソンとZボソンの発見に関わった後、クライン氏は1986年にUCLA物理学部に移った。[ 4 ]そこで彼は大学の素粒子物理学科の発展と新しい研究分野の取り込みに積極的に取り組み始めた。彼は当時急速に成長していた加速器物理学を専門とする教員の採用に力を入れた。[ 4 ]クライン氏はUCLA物理・天文学部の支援を受けて天体素粒子物理学と加速器物理学の発展に貢献し、この分野で世界的に認知されたことで物理学と天文学の著名な教授となった。彼は地上の太陽ニュートリノと超新星ニュートリノ源を用いたνΤとνeニュートリノの質量、イタリアのICARUS検出器を用いた核子崩壊、およびニュートリノ振動の研究を提案した。 [ 7 ]プロジェクトを達成するために、クライン氏と少数の米国物理学者グループは、銀河系外超新星爆発を観測するのに十分な大きさの超新星ニュートリノ検出器の新しい設計を提案した。[ 17 ]

クライン氏は、1976年に彼らが提案した方式を初めて実行した1983年のCERNでの発見の実験に参加した。[ 18 ]その後、クライン氏はトップクォークを発見したフェルミ国立加速器研究所の実験や、 2012年にヒッグス粒子を発見したCERNの実験の1つにも参加した。[ 19 ]

UCLAでは、液化希ガスを粒子検出器として使用する先駆者の一人であり、液体アルゴンとキセノンを暗黒物質の検出に使用する開発に革新的な貢献をしました。[ 11 ]

1990年代初頭、米国は超伝導超大型加速器（Superconducting Supercollider）の建設計画を立てていました。クラインは、競合する欧州の超大型加速器、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で働くことを選んだ多くの米国人科学者の一人でした。彼はCERNのLHCで研究を続け、コンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）実験の共同設立者でもありました。その目的は、光速に近い速度で陽子を衝突させた後に残る安定粒子を検出・測定することでした[ 20 ]。これは、標準模型を超える物理学を探求し、初期宇宙の状態を特定する試みでした。

CMSは、LHCを構成する4つの衝突点の1つに建設され、ミューオンを高精度で検出し、4テスラの磁場を生成できる当時としては最強のソレノイド磁石となるように設計されました。[ 21 ] CMSの国際協力は、200以上の研究所と50か国を含む、その種としては最大規模のものになりました。[ 22 ]この協力は成功を収め、CMSは最初の7 TeV陽子-陽子衝突、Xi b重粒子の発見、ヒッグス粒子の発見に関与しました。[ 23 ]デビッド・クラインは、CMSの創設への貢献により、これらの実験の協力者として挙げられています。

クライン氏は、2005年にフェルミ国立加速器研究所にニュートリノ検出器の建設を提案した世界中の25以上の大学による共同研究にも参加した。提案された検出器は30キロトンのオフアクシス検出器で、 NuMIビームラインでνμ→νe振動を研究する目的だった。[ 24 ] NuMIオフアクシスνe出現（NOvA）共同研究は、51の機関から240人以上の科学者を集め、ニュートリノが宇宙の進化に及ぼした可能性のある影響を研究している[ 25 ]。

主な関与

スーパー陽子・反陽子シンクロトロンとコンパクトミューオンソレノイド

クラインはWボソンとZボソンの発見者としては認められていませんが、クラインとルビアによる陽子・反陽子衝突型加速器の設置提案は、重いボソンの研究を通じて素粒子物理学の進歩につながりました。CMS実験の共同創設者としてのクラインの役割は、7 TeVおよび8 TeVにおける最初の陽子・陽子衝突、そしてヒッグス粒子とXi b重粒子の発見への貢献者としての地位を確立しました。

ディミューオン事象の調査

1970年代初頭、クラインはニュートリノと反ニュートリノから二ミューオンが生成される現象を研究した。これらのニュートリノ事象は中間粒子の生成と崩壊を必要とするが、これは中間粒子が重いレプトンと半弱ベクトルボソンであると予測するモデルとは一致しなかった。[ 26 ]

1975年2月、クラインらは高エネルギーニュートリノと反ニュートリノの相互作用によって生成された新しい粒子を観測したと報告した。14個の二ミューオン事象が観測され、この事象の特性と三ミューオン事象が観測されなかったことから、この相互作用には新たな質量を持つ粒子の存在が必要であると思われた。理論上の粒子は、これまで観測されていない量子数を持つと予想され、最終状態で 2つのミューオンを持つためには弱崩壊する必要があるとされた。

第二ミューオンの発生源は、パイ中間子とカオンの崩壊によるものと主張された。クラインらは、「(i) 二ミューオン事象の発生率、(ii) それらの電荷の符号の反転、(iii) それらが生成された標的物質の密度の違い、(iv) ミューオン運動量と横方向運動量の分布」を観察することで、これに反証を示した。

双ミューオン事象につながるニュートリノ相互作用には、彼らが「y粒子」と呼ぶ新しい粒子の存在が必要でした。研究グループは、もしその粒子がハドロンであれば、質量は2～4 GeV、寿命は10の-10乗秒未満でなければならないと理論づけました。別の説としては、ニュートリノ相互作用によって中性の重いレプトンが生成され、それが2つのミューオンとニュートリノ/反ニュートリノに崩壊するというものでした。

数百GeVのミュー+ミュー衝突型加速器の物理的可能性

クラインの最も引用されている単著論文は、「数百GeVのμ + μ-衝突型加速器」の潜在的な応用について述べている。彼の提案は、標準模型とSUSY模型が2 M zをわずかに下回る質量で共鳴を示すという証拠に触発された。このエネルギー範囲では、 LHCで相互作用を正確に検出・測定することは非常に困難だった。ヒッグス粒子の探索には、このような高エネルギーに到達することが必要だった。μ + μ-衝突型加速器は、当時の衝突型加速器よりも高い解像度でTeV相互作用を調査する用途にも利用可能であった。[ 27 ]

宇宙線相互作用における高横方向運動量二次粒子と全断面積の上昇

クラインはウィスコンシン大学マディソン校在籍中、フランシス・ハルゼン博士と共同研究を行い、宇宙線相互作用によるハドロン衝突を研究した。彼らの観測は、予測された指数関数的カットオフを超える高横運動量二次粒子の証拠を示し、これは当時のCERNのデータと一致していた。CERN ISRの実験では、ハドロン衝突の断面積が予想よりも大きいことが示されていた。このデータは、陽子のクォークモデルを支持するものであった。このモデルでは、小さな運動量の衝突は「表面」で散乱し、横運動量の指数関数的カットオフにつながる。しかし、高運動量の衝突はクォークとの相互作用を引き起こし、ハドロンジェットとともに高横運動量を生成する。彼らの研究は、宇宙線相互作用の全断面積の増大とハドロンジェットの検出は、陽子の複合モデル理論を支持すると結論付けた。[ 28 ]

ニュートリノ-陽子弾性散乱の観測

クラインは、ニュートリノを陽子で散乱させることで弱い中性カレント相互作用を研究することに時間を費やした。これまで、この相互作用の探究は、中性子背景放射が高く、パイ中間子と陽子の分離が不十分であったため困難であった。クラインは、ニュートリノ誘起中性子を捕らえるのに十分な大きさの検出器を使用することでこれらの障害を軽減した。ニュートリノ誘起中性子は検出器の外側の領域で相互作用を通じて吸収または検出される可能性がある。ブルックヘブン国立研究所の広帯域ホーン集束ニュートリノビームを使用して、クラインらは30件のニュートリノ-陽子弾性散乱事象を観測し、その結果は弱い中性カレントを含むほとんどのゲージ対称性の破れモデルと一致するものであった。[ 29 ]

プラズマ航跡場加速の実験的観測

アルゴンヌ国立研究所先進加速器試験施設において、クラインらの研究グループは、高密度プラズマ中に21MeVの電子を励起することでプラズマ航跡場を生成し、加速・偏向された航跡場を測定した。これは、プラズマ中の強力な駆動ビームパルスの航跡に入射したウィットネスビームパルスを加速することでプラズマ航跡場を直接測定した実験の、世界初の事例の一つであった。彼らはまた、ウィットネスビームを用いて強い横方向航跡場の存在を実証した。[ 30 ]

暗黒物質の探索

XENON100プロジェクトは、クラインが関与した暗黒物質粒子の発見に特化した大規模な共同研究プロジェクトであった。 2011年から2012年にかけて、グラン・サッソ国立研究所（LNGS）で13ヶ月間実施された。この実験では、対象エネルギー領域において、(5.3 ± 0.6) × 10 −3 events/(kg day keVee)という極めて低い電磁背景放射が観測された。得られたデータは、 WIMPの質量に対する最も厳しい制限値、m χ >8 GeV/c 2 、核子断面積の最小値はm χ =55 GeV/c 2においてσ=2.0×10 −45 cm 2であった。[ 31 ]

液体キセノンシンチレーションを用いたKeV領域までのエネルギー蓄積の検出

クラインは1993年、KeV領域の宇宙エネルギー蓄積を検出するための共同研究に参加した。この研究グループは、WIMPの証拠となるほど低いエネルギーを検出できる液体キセノン検出器を提案した。提案された検出器は、シンチレーションと電荷信号技術を用いてアルファ粒子とガンマ線を区別することもできる。従来の検出器は背景放射能と電気ノイズを区別することができなかったが、高い電荷検出効率と液体キセノンシンチレーションを備えたアクティブチェンバーを利用することで、クラインらは、このタイプの検出器がWIMPを直接測定する最も効果的な方法であると提案し、確信した。[ 32 ]

原始ブラックホールの検出

原始ブラックホールが寿命の終わりに爆発すると、無数の粒子が宇宙を飛び交います。1992年、クラインは、現在のモデルがこれらのバーストのハドロンおよびレプトンスペクトルをどれほど正確に記述し、粒子密度の上限値を予測できるかを調査しました。彼は、ニューメキシコ州のWIPPサイトに建設予定の超新星バースト観測衛星を利用して、ガンマバーストとニュートリノバーストを検出する方法を提案しました。[ 33 ]

出版作品

論文

デイビッド・B・クラインは1400本以上の論文を発表しており、高エネルギー物理学および天体素粒子物理学の様々なジャーナルで9万回以上引用されています。彼は、ICARUSプロジェクト、CERNのCMS、 UA1共同研究など、数多くの共同研究に参加しました。以下は、彼が貢献した最も引用され、影響力のある論文の一部です。[ 34 ]

  • LHCにおけるCMS実験による質量125 GeVの新ボソンの観測、CMSコラボレーション - S. Chatrchyan他 (2012年7月31日) 掲載誌: Phys. Lett. B 716 (2012) 30–61. doi:10.1016/j.physletb.2012.08.021
  • CERN LHCにおけるCMS実験、 CMSコラボレーション - S. Chatrchyan他 (2008年8月1日) JINST 3 (2008) S08004掲載。doi :10.1088/1748-0221/3/08/S08004
  • S 1/2 = 540-GeVにおける孤立した大横エネルギー電子とそれに伴う消失エネルギーの実験的観測、UA1共同研究 - G. Arnison他 (1982年1月1日) Phys. Lett. B 122 (1983) 103–116に掲載。doi :10.1016/0370-2693(83)91177-2
  • CERN SPSコライダー（UA1コラボレーション）における95 GeV/c 2付近の不変質量レプトン対の実験的観測- G. Arnison他 (1983年6月1日) Phys. Lett. B 126 (1983) 398–410に掲載。doi :10.1016/0370-2693(83)90188-0
  • XENON100の225日間のライブデータから得られた暗黒物質の結果、XENON100コラボレーション - E. Aprile他 (2012年7月25日) 掲載誌: Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 181301 doi:10.1103/PhysRevLett.109.181301
  • CMS技術設計報告書、第2巻：物理性能、CMSコラボレーション - GL Bayatian他 (2007年10月23日) J. Phys. G 34 (2007) 6, 995–1579に掲載。doi :10.1088/0954-3899/34/6/S01
  • CMSにおけるジェットエネルギー較正と横方向運動量分解能の決定、CMSコラボレーション - S. Chatrchyan他 (2011年7月21日) JINST 6 (2011) P11002に掲載。doi :10.1088/1748-0221/6/11/P11002
  • S 1/2 = 7 TeVでのpp衝突イベントにおけるCMSミューオン再構成の性能、CMSコラボレーション - S. Chatrchyan他 (2012年6月19日) JINST 7 (2012) P10002に掲載。doi :10.1088/1748-0221/7/10/P10002
  • CMS実験によるbクォークジェットの同定、CMS共同研究 - S. Chatrchyan他 (2012年11月19日) JINST 8 (2013) P04013に掲載。doi :10.1088/1748-0221/8/04/P04013
  • S 1/2 = 7 TeVでのpp衝突における標準模型のヒッグス粒子探索の統合結果、CMSコラボレーション - S. Chatrchyan他 (2012年2月7日) Phys. Lett. B 710 (2012) 26–48に掲載。doi :10.1016/j.physletb.2012.02.064
論文[ 35 ]
カテゴリー 合計 単著
全論文 1445 273
書籍 5 1
会議論文 517 196
入門 10 5
講義 5 5
出版 758 26
レビュー 59 43
論文 1 1
議事録 42 22

書籍

  • 弱い中性電流：電弱力の発見、デビッド・B・クライン著（1997年1月1日）ISBN 9780201933475
  • B / K崩壊と新規フレーバーファクトリー、デビッド・B・クライン（編）著、1998年3月27日アメリカ物理学会発行。ISBN 9781563960550
  • CP対称性の破れと美の工場、および物理学における関連問題。デイビッド・B・クライン（寄稿）、アルフレッド・フリッドマン（編者）著。1991年1月1日、ニューヨーク科学アカデミー発行。ISBN 9780897666237
  • 第4のクォークとレプトンファミリー 第一国際シンポジウム、デビッド・B・クライン（寄稿）とアマルジット・ソニ著。1987年1月1日、ニューヨーク科学アカデミー発行。ISBN 9780897664356
  • デイヴィッド・B・クライン著『基本力とゲージ理論の統一』。1980年11月1日、ハーウッド・アカデミック出版より出版。ISBN 9780906346006

論文

クライン氏はサイエンティフィック・アメリカン誌に合計7本の論文を執筆しました。以下に要約します

メディアでの言及

最後に記録されたインタビュー

デヴィッド・クラインの最後のインタビュー記録は、ヴィンセント・トラン監督の映画『ワン・アンダー・ザ・サン』（2017年）の一部で、SF映画で「絶望的な宇宙ミッションの唯一の生存者が、末期症状の娘との再会を試みる。しかし、政府は彼女が特別な力を持って地球に戻ってきたと信じ、秘密施設への監禁を命じる」という内容である。[ 43 ]この映画にはクラインの最後のインタビュー記録が収められており、彼は宗教、宇宙の起源と生命の起源との関係、ヒッグス粒子について語っている。彼は特に、素粒子のみで構成された宇宙の旅と、これらの素粒子を研究して宇宙の起源とビッグバンを調査する方法を考察している。[ 44 ]彼は、スティーブン・ホーキングが著書『グランド・デザイン』で広めた議論に従い、宇宙は自己創造されたという考えについて熟考している。クラインは、物質の質量を説明するためにはヒッグス粒子が宇宙の始まりに存在していなければならないと論じ、ヒッグス粒子がなければ宇宙は自己創造され得なかった。彼は、この話題は証拠の欠如と他の理論を覆す可能性があることから宗教の領域に近づいていることを認めている。[ 44 ] 生命の起源に関して、クラインはヒッグス粒子をビッグバンに結び付けようとしている。彼はまず、すべてのアミノ酸が左手型の分子であり、すべての核酸が右手型の分子であるという偶然の一致を述べる。彼は、地球上にあるアミノ酸のどのような組み合わせでも生命が創造された可能性があるが、生命が21種類の酸に落ち着いたのは偶然であると主張している。クラインはオーストラリアで発見された隕石に触れ、マーチソン隕石に言及している。彼は、隕石の体積が大きかったため、隕石の中心核は外層を損傷した放射線から無傷のまま残ったと説明している。この発見は、地球上でこれまで発見されたものとは異なる、70種類以上の新しいアミノ酸の発見につながりました。彼はこの例を用いて、生命の形成にアミノ酸の多様な組み合わせがいかに多様であったかを示し、生命の共通の起源の必要性を示唆しています。超新星爆発は10の57乗個のニュートリノを放出し、周囲の物質に左利きの性質を誘発する可能性があります。超新星ニュートリノアミノ酸処理モデル[ 45 ]によれば、左手型のアミノ酸の生成につながり、それらを「アミノ酸工場」と名付けました。クラインは結論として、私たちの体内のアミノ酸はすべて宇宙から来たという信念を述べ、生命の起源を宇宙の初期に結びつけています。[ 44 ]

書籍

氷の中の望遠鏡

マーク・ボーエン著『氷の中の望遠鏡：南極で新たな天文学を発明する』は、南極におけるアイスキューブ・プロジェクトへの彼の関与に基づいています。本書では、このプロジェクトでの役割からデイビッド・クラインについても言及されています。クラインは、アムンゼン・スコット南極基地のアイスキューブ・ニュートリノ観測所を通じて、高エネルギー宇宙ニュートリノの探索に携わっていました。彼はニュートリノ相互作用に関する専門知識を買われてこのプロジェクトに加わり、プロジェクトの創設者であるフランシス・ハルゼンの最も重要な指導者の一人と言われていました。[ 19 ]

ノーベル賞の夢

ゲイリー・タウベス著『ノーベル賞の夢：権力、欺瞞、そして究極の実験』では、 UA1実験とUA2実験の協力者としてのクラインの貢献について言及されています。UA1実験は最終的にWボソンとZボソンを発見し、本のタイトルの由来となった賞を受賞しました

私生活

デビッド・クラインは2度結婚しました。2015年6月27日、前日の午後にキャンパス内で心臓発作を起こし、UCLAメディカルセンターで亡くなりました。5人の子供と8人の孫が残されました。[ 11 ]

参考文献

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