The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

現代物理学の広大な風景の中で、科学者たちは、標準模型が極めて成功している一方で、不完全であることを古くから知っている。標準模型は、なぜ宇宙が反物質ではなく物質でできているのかを説明できず、ダークマターとして知られる目に見えない物質についても説明できていない。数十年にわたり、新しい物理学を見つけるための主要な戦略は、より高いエネルギーで粒子を衝突させる機械を構築し、未知の重い粒子を生み出すことを期待することであった。しかし、もう一つの可能性が、捉えられないまま残されている。それは、粒子が軽いものの、通常の物質と非常に弱くしか相互作用しないため、検出器をすり抜けてしまうというものである。これらは「微弱に相互作用する粒子」として知られている。これらは捕まえるのが非常に困難であるため、異なるアプローチが必要となる。高エネルギーの稀な衝突を探すのではなく、膨大な数の粒子を生成し、それらが目に見えるものへと崩壊する稀な瞬間を待つ必要がある。この「重いものを探す」ことから「かすかなものを狩る」ことへの転換こそが、力任せの突破力ではなく、量と精度に依存する新しい物理学の方向性である「インテンシティ・フロンティア（強度フロンティア）」の核心である。

スイスのCERN研究センターでは、物理学者チームがSHiP（別名NA67）と呼ばれる実験によって、この攻勢をリードする準備を進めている。その目的は、プロトンの巨大な流れを生成し、それを用いて宇宙の最も深い謎を解明するかもしれない「隠れたセクター」の粒子を作り出すことができる、特化した施設を構築することである。チームは最近、この探索を可能にする検出器システムの設計の詳細を発表した。このシステムは単一の機械ではなく、異なる計器の複雑な集合体であり、各計器が特定の課題、すなわち、圧倒的なノイズという背景の中でいかにして微かな信号を見出すかという問題を解決するために設計されている。実験は2032年に最初の物理ランを開始する予定であり、提示された設計は、ビームがオンになったときに、検出器が新しい物理学の最初の兆候を捉えられるよう、長年の計画の集大成となっている。

実験は、高速で移動するプロトンのビームが、純粋なタングステン製のターゲットに撃ち込まれることから始まる。このターゲットは、プロトンが衝突した際に新しい粒子のシャワーを生成するよう、可能な限り効率的に設計されている。このプロセスで発生する激しい熱に対処するため、ターゲットは金属ブロック内のスロットを循環する高圧ヘリウムガスによって冷却される。ターゲットのすぐ後ろには、強力な磁気シールド、すなわち巨大なフィルターとして機能する磁石の連鎖が配置されている。その役割は、衝突によって生成される電子の重い従兄弟であるミューオンの大部分を掃き出すことである。このシールドがなければ、これらのミューオンが実験の大部分に溢れ出し、新しい信号が飲み込まれてしまうほど大きなバックグラウンド（背景雑音）を作り出してしまうだろう。このシールドはミューオンの数を100万分の1に減少させ、科学者が実際に興味を持っている粒子のために、より静かな経路を残すのである。

ミューオンがフィルタリングされると、残った粒子はヘリウムガスで満たされた長い空のトンネルに入る。これが崩壊体積（ディケイ・ボリューム）であり、もし存在すれば、微弱に相互作用する粒子がここを移動し、最終的に検出可能な通常の物質へと崩壊すると予想される空間である。これらの粒子は相互作用が非常に弱いため、崩壊するまで何も衝突することなく、この全距離を移動することができる。粒子の衝突を最小限に抑えるため、ヘリウムは薄いポリマー製の風船の中に保持されている。このトンネル全体を囲んでいるのは、バックグラウンド・タガーと呼ばれる高度なセンサーの壁である。この壁は、荷電粒子が通過すると光る特殊な液体で満たされている。その目的は、側面から忍び込んだり、トンネルの壁自体と相互作用したりする可能性のある、迷い込んだ粒子を捕らえることである。もし、トンネルの中心で信号が現れたのと同時に、壁に粒子が当たった場合、システムはそれが単なるバック後景ノイズであると判断し、無視する。このシステムは、10億分の1秒というタイミング精度を持って、実際のイベントと偽のイベントを区別できるほど精密である。

トンネルの端では、実験は内部で起こったあらゆる崩壊の破片を探している。ここで、隠れたセクター分光計（スペクトロメーター）が登場する。これは、数千本の細いストロー状の管（ガスが充填されたもの）で構成された大規模なトラッキング・システムである。荷電粒子がこれらのストローの中を飛ぶと、電気信号の跡を残し、それによって科学者は粒子の経路を極めて精密に再構成することができる。大型の磁石がこれらの経路を曲げ、これにより科学者は粒子の運動量と正体を特定することができる。トラッカーの後には、シンチレーション棒で作られたタイミング検出器があり、観測されている粒子が、他のソースからではなく、実際に崩壊体積から来たものであることを確認するためのストップウォッチとして機能する。最後に、粒子はカロリメータに入り、そこでエネルギーが測定され、どのような種類の粒子であるかが識別される。この最終セクションは、光粒子を生じる崩壊と、より重い粒子を生じる崩壊といった、異なる種類の崩壊を区別するために極めて重要である。

システム全体は、特定の信号を待って記録を開始するのではなく、データを継続的に記録するという、従来のトリガーを用いない設計となっている。これは、実験が長時間にわたって行われ、対象となるイベントが非常に稀であるため、標準的なトリガーではそれらを見逃す可能性があるからである。代わりに、システムはすべてのデータにタイムスタンプを付与し、興味深いパターンが現れる時間窓を確認することで、後からイベントを再構成できるようにしている。また、設計にはミューオン・シールド内部に別の検出器も含まれており、検出が非常に困難なことで知られる粒子であるニュートリノを研究する。この実験の目的は、数千回のニュートリノ相互作用を観測し、これらの粒子がどのように振る舞うかに関する豊富なデータを提供することである。

論文によれば、ターゲットとミューオン・シールドの設計は実質的に完了しており、プロトタイプはビームによる過酷な条件に耐えられることがテストによって確認されている。バックグラウンド・タガーと分光計は現在プロトタイプ作成段階にあり、性能を確認するためのテストが進められている。チームは、施設が稼働する2033年までに、検出器が世界最高レベルの感度でこれらの捉えにくい粒子を探索できる準備が整うと確信している。もし、微弱に相互作用する粒子が、実験が調査するように設計された質量と結合の範囲内に存在するならば、SHiP検出器システムはそれらを発見できるはずである。もし存在しないとしても、実験はそれらの存在に関する最も厳格な制限を課し、新しい物理学に関する理論的可能性の大部分を事実上排除することになる。この取り組みは、エンジニアリングと物理学の緻密なバランスを表しており、宇宙の隠された秘密という、最もかすかな囁きを聞き取るのに十分なほど静かな機械を作り上げているのである。