DUNE

DUNE——Deep Underground Neutrino Experiment——は、 現在建設中のニュートリノ計画としてもっとも大きなものである。 シカゴ近郊のフェルミ研究所からのビームを1,300 キロメートル先のサウスダコタ州へ送り、 そこの元金鉱で受け取ることになっている。

設備

フェルミ研究所ではLBNFという新しいビーム設備が建設されている。 これはまず1.2 メガワットで稼働し、 のちにその2倍以上に増強される予定である。 そうなれば世界でもっとも強度の高いニュートリノビームとなる。 前置検出器群がそこで、 送り出されるものを測る。

遠方検出器はサウスダコタ州リードのSanford Underground Research Facilityの地下1,480 メートルにある。 かつてレイモンド・デイビス（Raymond Davis）がHomestake実験を行っていたのと同じ坑道である。 空洞のために800,000 トンを超える岩石が掘り出され、 掘削は2024年に完了した。

計画されているのは、 それぞれおよそ17,000 トンの液体アルゴンを収めた四つのモジュールであり、 アルゴンはおよそマイナス186 度に冷却される。

なぜ液体アルゴンなのか

MINOSのような以前の検出器は鋼とシンチレーターからなっていた。 それらは基本的に、 ミューオンがどこへ進んだかしか見ない。 一本の飛跡、 一つの方向、 一つのエネルギーである。

液体アルゴンの時間投影箱はそれ以上のことができる。 荷電粒子がアルゴンを通り抜けると、 自由電子の跡が残る。 電場がこれを数メートルにわたってワイヤー面へ引き寄せる。 面上の位置と到達時刻から軌道を三次元で再構成する。 その分解能はミリメートルの領域にある。

その結果は事象の写真に似ている。 何かが起こったことだけでなく、 どの粒子がかかわり、 それらがどのように枝分かれしたかまで分かる。

その代償は清浄さである。 わずかな酸素の混入でもドリフトする電子を捕らえてしまう。 アルゴンは1兆分の数という水準まで清浄に保たねばならない。

三つの問い

ニュートリノはCP対称性を破るのか。ニュートリノと反ニュートリノのふるまいが異なるなら、 それは宇宙になぜ物質があるのかを説明する一つの要素となる。 T2Kは最初の手がかりを与えた。 DUNEはこの問いに決着をつけることになっている。

長い距離はそれ自体が目的なのではない。 1,300 キロメートルにわたってはMSW効果が強く働くため、 その寄与を求めているCP対称性の破れからきれいに分離できる。 より短い距離では両方の影響が混ざり合ってしまう。

どのニュートリノ質量がもっとも大きいのか。同じ効果が同時に、 ニュートリノ質量の順序についての問いにも答える。

陽子は崩壊するのか。大統一理論はきわめてまれな陽子崩壊を予言する。 液体アルゴンは特定の崩壊様式に対して水より感度が高く、 そのためDUNEとHyper-Kamiokandeはここで互いを補い合う。

さらに、 計画できない種類の備えがある。 われわれの銀河系で超新星が爆発すれば、 DUNEはそこから数千のニュートリノを捉えるであろう。 しかも水検出器では見えにくい電子ニュートリノを優先的に捉える。 二つの方式を合わせれば、 どちらか一方だけよりも完全な重力崩壊の描像が得られる。

現状

空洞の掘削は終わり、 最初のモジュールの組み立てが進んでいる。 CERNでは試作機ProtoDUNEが数百トンの規模でこの技術を試した。 ドリフトチェンバーの二つの異なる構造が用いられ、 それぞれが最初の二つのモジュールのうちの一つに使われる。

現在の計画では、 測定運転はこの10年の終わりごろに始まる予定である。 この規模の計画では経験上、 日程はずれるものである。 共同研究グループは30 か国以上から1,400 人を超える研究者を擁している。

関連項目

• Hyper-Kamiokande — 日本における対応物
• T2K — 最初のCPの手がかり
• Homestake実験 — 同じ山、別の時代
• MSW効果 — なぜ距離がこれほど長いのか

出典

• DUNE共同研究グループ: Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment, European Physical Journal C 80, 978 (2020).
• Fermilab: LBNF/DUNE — 計画の説明と建設状況。