科学者たちは最近、世界最大のニュートリノ実験に対して極限テストを行い、プロトタイプ検出器を最大300,000ボルトの極端な圧力テストに置きました。このテストは、アメリカの地下に設置される前に行われました。この深地下ニュートリノ実験（Deep Underground Neutrino Experiment、略称DUNE）に対するテストは、フランスのプレビッセにある欧州原子核研究機構（CERN）のニュートリノプラットフォームで行われました。このプロジェクトは、アメリカエネルギー省のフェルミ国立加速器研究所（Fermi National Accelerator Laboratory、略称Fermilab）が主導しています。
DUNEは、建設過程で最も野心的な粒子物理学実験の一つになる予定です。稼働すれば、ニュートリノの神秘的な振る舞いを研究し、宇宙における物質が反物質よりも多い理由の手がかりを探ります。現在、CERN内には770トンの重さを持つニュートリノプロトタイプ検出器、ProtoDUNEsが2台あり、これらの検出器はDUNEの予定技術を示す上で重要な役割を果たしています。
ロスアラモス国立研究所の上級科学者Sowjanya Gollapinni博士は、「ProtoDUNEでの技術展示の作業は非常に困難です」と述べました。実験の検出器コンポーネントは設置後、長期間液体アルゴンに浸され、数十年にわたって接触できないため、科学者たちは各システムが持続的に信頼できることを確認する必要があります。そのため、彼らはProtoDUNE Vertical Driftというフルサイズのプロトタイプを使用して技術を検証しました。このプロトタイプは、従来のワイヤーベースの読み出し面を商業化されたプリント基板に置き換え、検出器の構築を簡素化し、より少ない検出器部品でより多くのニュートリノ相互作用を記録できるようにしました。
新しい設計により、電子が液体アルゴン中を移動する距離が倍増しました。
DUNEプロジェクトは2025年に新しいプロトタイプを稼働予定
しかし、これを実現するには、電子を検出器に導くために電場強度を十分に保つために、より高い電圧が必要です。そのため、研究者たちは約300,000ボルトの電場を生成しています。ブルックヘブン国立研究所の科学者であり、DUNEの技術コーディネーターの一人であるSteve Kettell博士は、「手持ちの電池の両端の電圧は1.5ボルトです。我々はこの概念を300,000ボルトに拡大しています」と指摘しました。Kettellは、チームが意図的に検出器を限界まで押し上げていることを強調しました。
「これは、検出器内部に雷雨を作り出すようなものですが、実際の雷が落ちることは望んでいません」と彼は述べ、「もし火花が見えたら、それは我々がさまざまなコンポーネントの反応を研究するのに役立ちます」と付け加えました。
この共同プロジェクトは、2025年に新しいプロトタイプの稼働を開始する予定です。継続的な圧力テストは2026年5月に始まり、現実の操作条件下で高電圧を信頼性高く維持できるかどうかを確認する必要があります。DUNE検出器は、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設に設置され、深さは約1マイルで、ニュートリノの稀な相互作用を捕らえるために液体アルゴンで満たされます。ニュートリノがアルゴン原子と衝突すると、荷電粒子が生成され、微小な電離軌跡を残します。検出器の敏感な電子機器はこれらの信号を記録し、科学者が粒子のエネルギー、方向、身元を再構築できるようにします。
DUNEは宇宙からのニュートリノを観測する
DUNEはまた、可視光よりも先に爆発する星から逃げる宇宙からのニュートリノを観測します。これは天文学者に近くの超新星を警告する前触れを提供する可能性があります。チームは、この実験がなぜ物質がビッグバン後に生き残り、反物質がほぼ消失したのかを明らかにすることを期待しています。CERNの現在の圧力テストは秋まで続くと予想されています。成功すれば、検出器が地下で数十年にわたり信頼性を持って運用できることが確認されます。「もしすべてのコンポーネントが生き残れば、それは非常に励みになります」とKettellはニュースリリースでまとめました。