Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

亜原子の世界の奥深くで、物理学者たちは、宇宙は標準模型が示唆するよりもはるかに混み合っているのではないかと長年疑ってきた。この確立された枠組みは、既知の物質の構成要素とそれらを支配する力をうまく記述しているが、パズルの極めて重要な一片、すなわちダークマター（暗黒物質）を欠いている。ダークマターが銀河に及ぼす重力の影響からその存在は分かっているものの、それを構成する粒子を直接検出したことは一度もない。多くの理論は、これらの隠れた粒子が軽く、相互作用が弱く、おそらくは寿命が長い、つまり消滅するまでに膨大な距離を移動できるものであると提唱している。もしそのような粒子が存在するならば、大型ハドロン衝突型加速器における陽子の激しい衝突によって生成され、通常の物質を捕らえるために設計された巨大な検出器をすり抜け、周囲の岩石の中へと数百メートルも進んでいく可能性がある。それらを見つけ出すことは、ダークマターの性質を明らかにするだけでなく、私たちが知る物理学と並行して機能する「ダークセクター（暗黒領域）」への窓を開くことにもなる。

陽子を光速に近い速度で衝突させる機械である大型ハドロン衝突型加速器において、FASERと呼ばれる特殊な実験装置は、主要な衝突点から480メートル離れた、狭いトンネルの中に配置されている。この場所は戦略的なものである。そこは、衝突から前方へ向かって飛び出す粒子の経路上に位置しており、軽く捉えどころのない粒子が現れる可能性が最も高い領域だからである。衝突地点にあるメインの検出器は、ほとんどのものを阻止する厚いコンクリートや岩石の層に囲まれているが、FASERは、この障壁を突き抜けることができるわずかな粒子を捕まえるように設計されている。最新の研究において、FASERコラボレーションは、「アクシオン様粒子」と呼ばれる特定の種類の仮説上の粒子に注目した。これらは、強い核力の下で宇宙がなぜこのように振る舞うのかという物理学の深い謎を解決するために元々提案された粒子であるアクシオンの、理論的な従兄弟にあたる。高エネルギー物理学で通常追及される重い粒子とは異なり、これらのアクシオン様粒子は軽く、検出器を通過する際に高エネルギーの光子（光の粒子）のペアへと崩壊する可能性がある。

研究者たちは、2022年と2023年中に収集された、大量の陽子・陽子衝突に対応するデータを分析した。彼らが探していたのは、非常に特定のシグネチャー、すなわち、電磁カロリメータ（粒子のエネルギーを測定する装置）における突然の強烈なエネルギーの放出であり、かつ、荷電粒子が入ってきたことを示す信号が周囲のベトシステム（拒絶システム）で全く検出されない状態であった。仮説上の粒子は中性であるため、最初の検出器を痕跡を残さずに通過し、その後、計器の深部で2つの光子へと崩壊して、クリーンで高エネルギーの閃光を作り出す。チームは、ニュートリノによって支配される背景ノイズからこのシグナルを区別するために、細心の注意を払わなければならなかった。ニュートリノは幽霊のような粒子であり、これらも岩石を通り抜け、検出器の物質と相互作用することがあり、時として探求している粒子のエネルギーシグネチャを模倣することがある。これを管理するため、科学者たちは高度なコンピュータシミュレーションを用い、特定のエネルギー範囲において、どれだけのニュートリノ相互作用が発生するかを正確に予測した。

この緻密な探索の結果は、単一のイベントであった。検出器は、上流での活動がない状態で高エネルギーの堆積が記録された事例を1回観測しており、これは崩壊するアクシオン様粒子が期待されるパターンと一致していた。しかし、チームの計算によれば、全く同じように見えるニュートリノの相互作用が約0.44回発生すると予想されており、その不確実性の幅を考慮すると、1回のイベントの観測はランダムな偶然として完全に矛盾しないものである。言い換えれば、彼らが見つけた単一のイベントは、新物理学の発見ではなく、ニュートリノが通常行う挙動を単に行ったものに過ぎない可能性が高い。この観測結果は背景の期待値を有意に超えなかったため、研究者たちは新しい粒子を発見したと主張することはできなかった。代わりに、彼らはこの結果を用いて、これらの粒子が存在しうる領域に関する世界をリードする新たな制限（リミット）を設定した。

これらの粒子が存在し、モデル化された通りに弱い核力と相互作用するのであれば、特定の質量と相互作用の強さの組み合わせでは存在し得ないことを示すことで、実験は、これらの方程式の広範な可能性を事実上排除した。具体的には、質量が1億から2億5千万電子ボルトの間で、相互作用の強さが3 × 10⁻⁵ から 5 × 10⁻⁴ inverse GeV の間にある可能性を排除した。また、彼らはこれらの制限をより重い質量へと拡張し、より弱い相互作用を持つ最大3億電子ボルトまでの粒子を排除した。これは、これまで探索されてこなかったパラメータ空間を調査しているため、重要な前進である。これは、より軽い、あるいはより重いバージョンのこれらの粒子を探す他の実験を補完するものである。

この研究は、たった一種の粒子にとどまらなかった。同じデータと分析手法が、検出器の中で同様の光の閃光を生じさせる可能性のある、他のいくつかの理論的モデルにも適用された。これらには、原子核における力の媒介粒子であるグルーオンと相互作用する粒子を含むモデルや、物質の陽子数や中性子数に関連する新しい種類の力媒介粒子、およびアップクォークと相互作用することを好む軽いスカラー粒子が含まれていた。それぞれのシナリオにおいて、イベントの有意な過剰が見られなかったことにより、チームはこれらの粒子が隠れている場所に対して新たな境界線を引くことができた。彼らは、自分たちの実験が、以前は制約されていなかった宇宙の隠れた物理学の領域に対して感度を持っていることを示し、事実上、探索空間を狭めた。

この探索の成功は、FASER検出器のユニークな幾何学的構造と、膨大な数の通常の粒子をフィルタリングする能力に大きく依存していた。検出器は、ミューオンのような荷電粒子が敏感な容積に入ってくるのを防ぐゲートキーパーとして機能する、シンチレーティング物質の層を備えている。中性粒子のみがこのゲートを通過できる。一度中に入ると、検出器は粒子が2つの光子へと崩壊することによって生じるエネルギー堆積の特定のパターンを探す。分析には、イベントが陽子衝突と同期していることを保証するための精密なタイミングと、エネルギー測定が正確であることを保証するための入念な較正が必要であった。また、チームは、粒子のビームが完全に直線ではなく、わずかな角度を持っているため、480メートルの旅の間に粒子の経路がわずかに変化することを考慮しなければならなかった。

この研究は、FASERが光子へと崩壊する新しい粒子を探索した初めての事例であり、ダークセクターの探求における新しい章を刻んだ。観測された単一のイベントは発見ではなかったものの、これほど多くの理論的可能性を排除できたことは、強力な科学的成果である。それは、もしこれらの軽い長寿命粒子が存在するならば、それらは相互作用がはるかに弱いか、あるいはここでテストされたモデルとは異なる特性を持っていることを示している。この実験は、メインの検出器が見逃してしまう物理学を見つけるために、衝突点からかなり下流を見るという戦略が、実行可能かつ強力な手段であることを証明している。大型ハドロン衝突型加速器が稼働を続け、より多くのデータを収集するにつれ、FASERはこれらの制限をさらに押し広げ、いつの日か、地球を通り抜けてダークセクターの秘密を明らかにする粒子の微かなシグネチャーを捉えることになるかもしれない。