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問題のあるアメリカのニュートリノプロジェクトは、不確実な未来に直面し、新しい機会を提供します。 ニュースと研究

サウスダコタの放棄されたホームステイク金鉱のトンネルを爆破して掘削するエンジニアは、米国で最も最近行われた最大の主要粒子物理学プロジェクトであるDUNE(深層ニュートリノ実験)の設置を準備しています。 しかし、仕事は計画どおりに進んでいません。 建設関連の支障により、DUNEの本格的なデビューが10年後半からせいぜい2030年代半ばに遅れました。 そして、DUNEの日程が遅れるにつれて、他のニュートリノ実験との競争力も低下することになり、米国エネルギー省(DOE)が昨秋にメガプロジェクトを2段階に分けることにした議論の余地がある決定を発表しました。

アメリカのパーティクル物理学者は、この2段階のアプローチが、このフラッグシッププロジェクトが競合他社と協力し、デザインの後期段階を再構築するための余地を作成するのに役立つことを願っています。 「本当の成功は、私たちが10年前に考えたのとまったく同じ道にはないかもしれません」とDuke Universityの実験学者であるKate Scholbergは言います。

Long-Baseline Neutrino Facility(LBNF)とともに、DUNEは粒子物理学の標準モデルで最も把握しにくい粒子を調査しようとしています。 しかし、昨年、メガプロジェクトの価格表は最初の段階で30億ドル以上に再評価されました。 これは、全体の努力の元の推定値の約2倍です。

4つの巨大な検出モジュールのためのスペースを作るために800,000トンの短い岩石を掘ることは、予想よりも複雑であることが判明しました。 DOEの広報担当者は、鉱山の状態に関する「間違った仮定または時期尚早」は、掘削が始まる前にインフラを維持する必要があることを意味すると述べた。 検出器の設置コストも過小評価された。 その結果、LBNF / DUNEの移行は数年間延期されており、予算超過規模を考えると、議会でプロジェクトを再確認する必要があります。

今、粒子物理学者が米国で今後10年間の研究優先順位を決定するための定期的な会議があるSnowmassのために集まったとき、一部の人々はLBNF / DUNEが動機付ける科学目標のいくつかを採点する2位3位になることができるという亡霊を提起しました。 。 「私たちがDUNEについて考える方法を変えて、これらの目標以上に達成したり、より良い成果を上げることができる方法は何ですか?」 テキサス州アーリントン大学の実験学者であるジョナサン・アサディ(Jonathan Asaadi)が尋ねる。 「スノーマスプロセスのポイントは、これらの非常に難しい議論を行い、次に合意を構築することです」

ニュートリノから新しい物理学へ

ニュートリノは間違いなく膨大で多様な粒子物理学動物の最も奇妙な居住者です。 ニュートリノは3つのタイプで提供されていますが、これらの異なる形態の間で移動しながら何とか振動します。 ニュートリノは質量がある場合にのみ振動できるため、これは驚くべきことです。 これは、成功していない標準モデルの予測と競合する属性です。 1998年にこの形態移動行動が発見されて以来、物理学者たちは中性美者がどのように振動するかを正確に把握するために苦労し、重要なパラメータの3つの測定値が欠けています。

最初の最もよく知られたパラメータである電荷パリティ(CP)違反は、ニュートリノとそれに対応するインポート者が同じように振動するかどうかを決定し、宇宙に反物質よりも多くの物質がある理由を説明するのに役立ちます。 。 二つ目は、ニュートリノの最も重いタイプと最も軽いタイプを決定します。 そして第三は、あるタイプのニュートリノが別のタイプに変わる可能性に関連しています。 物理学者たちは、10年前にSnowmass Jamburyの初期に、これらすべてとそれ以上を測定する方法でLBNF / DUNEを夢見ました。

動機は、DUNEの液体アルゴンの代わりに水で満たされたはるかに大きな地下室である日本の競合中性ミクロ実験Hyper-Kでもほぼ同じでした。 Hyper-Kは、2020年代後半にCP違反を厳密に測定することを目指しています。 一方、IceCube、JUNO、KM3NeTなどのいくつかの小規模ニュートリノ実験の組み合わせは、今後10年間、これらのニュートリノパズルや他の長いニュートリノパズルに影響を与えると予想されます。 Asaadiは、「DUNEはこれらのパラメータを最初に測定しなかった場合、非常に深刻なリスクを負います。」

しかし、Asaadiと他の多くの人々は、これらの実験が競合他社と同じくらい協力者であることを強調しています。 大学院生としてSuper-K(Hyper-Kの全身)を作業し、現在はDUNEや他のニュートリノ検出器。

第一に、すべての発見は真剣に受け入れられるために別の独立した実験によって確認されるべきです。 ノースウェスタン大学のアンドレ・ルイス・デ・ゴヴエは、「科学のために、誰が答えを得たかについてはあまり気にしない」と述べています。 「しかし、プロジェクトの間に大きな視差を置きたくありません。…あるプロジェクトが別のプロジェクトの雷を盗むことができます。」 そして高い考えを持つ物理学者たちは発見の最初ではなく検証の重要性を受け入れることができますが、「二等」に来る概念はお金を稼ぐ政治家にとってより難しい販売です。

繰り返しますが、LBNF / DUNEの新しいステップは、最終的にプロジェクトを健全で競争力のあるものに保つことです。 カリフォルニア大学バークレー校のガブリエル・オレビ・ガン(Gabriel Orebi Gann)は、次のように述べています。 「レースで負けることを保証する唯一の方法は、レースでさえしないことです」。

しかし、このアプローチには新しいリスクがあります。 第二段階の資金調達は保証されません。 de Gouvêaは、「人々は、第2段階とそれが何をテーブルにもたらすかについて、以前よりも少し慎重に考えるように招待されています」と言います。 「あなたは自分と他の人に、第2段階が貴重な投資であることを確信させるために良い話を伝えたいと思います。」

埋没費用のエラーや黄金の機会?

LBNF / DUNEなどの大規模プロジェクトが過去5年間にわたって増加するにつれて、議会は高エネルギー物理学に対するDOEの総予算をほぼ30%増やしました。 しかし、大学のコア研究と新しいアクセラレータと検出器技術の研究開発資金は減少しました。 LBNF / DUNEの新しいステップは予算の再調整を目指しているとDOEスポークスマンは言いました。 Asaadiは、「コミュニティは正当なスケジュールと目標が何であるかを真剣に考えなければなりません。そうしないと、メガプロジェクトはすべての空気を吸うことができます」と言います。

これはすべてLBNF / DUNEのホストであるFermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)の激動の時期に発生します。 昨秋、Fermilabの取締役Nigel Lockyerは未知の理由で辞任しました。 その直後、FermilabはDOEから珍しい「C」を受けました。 成績表 科学技術プロジェクト管理のため。

不確実性にもかかわらず、LBNF / DUNEの元の範囲に固執することは、多くの人にとってまだ簡単です。 デントンは、「単一のニュートリノ振動実験がより良いと想像するのは難しい」と言います。 他の実験とは異なり、ニュートリノビームは広範囲のエネルギーを照射するため、ニュートリノが振動する方法をよりよく把握できます。 液体アルゴンで満たされた検出器は、水を含むよりもはるかに正確に粒子の経路を追跡することができます。 「液体アルゴンの技術は難しいが、我々はその困難について何かを得る」とDentonは言う。 希望は、この新しく野心的な設定がニュートリノの振動を高解像度に導くだけでなく、新しい粒子と力の兆候が現れ、物理学者がついにニュートリノ質量の当惑した起源を把握できるということです。

このため、2014年に粒子物理学コミュニティは試みられ、テストされた水検出器よりも新しい液体アルゴン検出器を支持し、ほとんどのニュートリノ物理学者はこれが変わる理由がないと考えています。 「コミュニティ内で強力な支持を得ています。 [LBNF/DUNE] 起きるだろう」とオレビ・ガンは言う。 しかし、内部文書では サイエンティフィックアメリカンDUNEの現在の共同スポークスマンは、「LBNF / DUNEが現在米国で低い受容度を経験しているという根拠で、今年初めの選挙に成功した。 [high-energy physics] コミュニティ…DUNEの未来に真剣に挑戦します。」

ほとんどの人は、米国と国際パートナーがメガプロジェクトにすでに数十億ドルを割り当てているため、元に戻せないことに同意します。 Asaadiは、「埋め込みコスト」の誤差はこの程度の距離にあるときは常に存在します。急増し、高価なパーティーの疑わしい支出とランチ後の資金援助を撤回しました。 明らかになった。 その結果、「粒子物理学がヨーロッパに移った」と、IceCubeニュートリノ実験の上級研究者であるフランシス・ハルゼンが語った。 「誰もがプロジェクトを終了しても、お金があなたにも科学にも戻らないことを学んだことを願っています」

繰り返しますが、「世界初」という願望がもはや達成されなくなる可能性がある主要なプロジェクトを間違いなくサポートすることもリスクを伴います。 「私たちはcatch-22にあります。 DUNEの取り消しは、高エネルギー物理学の信頼性に黒い目になるでしょう。 サイエンティフィックアメリカン。 「私たちはここで脱出口を探す必要がありますが、脱出口は明確ではありません。」

みんな一緒に今

スノーマス会議では、パーティクル物理学者をLBNF / DUNEに対して再びしっかりと再集めるためのバランス調整作業が進行中であり、一部は新たに段階的な設計をレモンをレモネードに変える機会として描写しています。 ニュートリノビームと検出器のサイズをアップグレードすることに加えて、2番目のステップでは、DUNEの4つのモジュールのうち2つを未定義のままにし、新しいアイデアを歓迎します。 今夏まで続く最新のSnowmassのためのニュートリノ物理学優先グループを共同招集するScholbergは、「それについて多くの興奮と新しい検出器に対する多くの創造的なアイデアがあります」と述べました。

近年の理論的洞察は、LBNF/DUNEにおける新しい種類の暗黒物質探索のための扉を開いており、決定される検出器はまた、ニュートリノが自己侵入者であるという証拠を見つけるために「ニュートリノなしの二重ベータ崩壊」実験を受け入れるできます。 。 改良された超新星探知機と神秘的な無菌ニュートリノの追求は、2つの開いた探知機スロットを満たすためのテーブルの上にあります。 「そのコラボを拡大すると、 [to other areas of physics]ロンドン大学ロイヤルホロウェイの暗黒物質実験家であるJocelyn Monroeは、これを可能にするためのより多くの人々を呼んでいます。

他の人々は、DUNEの世界最高の野望を倍増し、一般に、優先順位競争では考慮されない検出器の設計と分析技術の進歩に優先順位を付けることを好む。 「DUNEが「レール」にあるため、多くの本当に良いアイデアが押される傾向があります。 動作し、完了する必要があります。 これ 方法です」とAsaadiは言います。 THEIAと呼ばれる新しい提案は、Hyper-Kなどの水性検出器とDUNEに似た「フラッシュ」検出器を組み合わせることで、両方のアプローチの利点を享受することです。

物理学者の間には、一つのことについて普遍的な同意があるようです。 DUNEの埋没費用の誤りを機会に変えることに対する利害関係が高いということです。 「今私たちが本当に頑張っているのは、残りのSnowmassコミュニティとこれらすべての接続を確立しようとしていることです」とScholbergは言います。 議論は夏まで続き、来年、DUNE / LBNFが米国の主力プロジェクトとして残るかどうかを決定する米国連邦顧問グループであるパー​​ティクル物理学プロジェクトの優先順位付けパネルの決定に反映されます。 「誰もが搭乗したことを確認する必要があります。」とDe Gouvêaは言います。 「不確実性は、人々が多くの時間を費やす必要があるため、非常に長期的なプロジェクトには適していません。 努力が無駄にならないことを願っています。」

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Omori Yoshiaki

ミュージックホリック。フードエバンジェリスト。学生。認定エクスプローラー。受賞歴のあるウェブエキスパート。」

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