J-PARCとは、JAEA（日本原子力研究開発機構）とKEK（高エネルギー加速器研究機構）の共同プロジェクトである大強度陽子加速器施設のこと。簡単に説明してしまうと、陽子を光の速さの99.95%まで加速させることができちゃうすごい施設！陽子を加速していろいろなターゲットにぶつけることで出てくるミューオンや中性子、ニュートリノなどを使って、いろいろな実験をしています。
前回までのたんけんJ-PARCはこちら。
電子に変身するミューオンを見つけよう、COMET実験！
たんけんJ-PARCの第2回は、J-PARCの中のハドロン実験施設でミューオンを使った実験をしようとしているCOMET（コメット）実験！
COMET実験は過去に1度記事にしているので、詳しくはそちらを見ていただければと思うのですが、一息で説明してしまおうとすると、J-PARCで加速した陽子をターゲットにぶつけて作ったミューオンを原子核に捕まえさせてミューオン原子を作り、そのミューオンがニュートリノを出さないで電子に変わっちゃう標準理論では許されていない現象を見つけたい！というような実験です。
とてもとても簡単に図解すると、このような流れになります。ミューオンが何も出さないで電子に変わってしまうことは、標準理論では許されていません。ですが、このような現象が起こることを予想する理論はいくつかあって、標準理論を超える新しい物理をミューオンを使って見つけたい！…それがCOMET実験なのです。
ちなみにわざわざミューオン原子を作って実験を行うのは、原子核に捕縛されているミューオンでないとニュートリノを出さず電子だけに変わる現象が起こらないため。エネルギー保存則を破らないために、ミューオンが電子に変わる際に出てくるエネルギーを原子核に持っていってもらう必要があるのです。
写真で見てみるCOMET実験
ということで、早速COMET実験を見ていきましょう！
ハドロン実験施設
とその前に、COMET実験が行われているハドロン実験施設についてちょっとだけ。
J-PARCで加速された陽子の一部がハドロン実験施設まで運ばれてくるのですが、ここで二次粒子生成標的にぶつけてそこから出てきた粒子を使って実験をしたり、陽子をそのまま使って実験をしたりしています。ちなみにCOMET実験で使う陽子だけはエネルギーが8GeVのものであるため、他のビームラインと同時に動かすことができません。スケジューリングとっても大事。
こちらは2023年10月に行われていたJ-PARC施設公開に遊びに行ったときに展示されていたハドロン実験施設の模型です。ハドロン実験施設がどのような構造になっているのか、とても良くわかります。
陽子が標的に衝突する地点やビームラインのあるあたりは、可能な限りコンクリートブロックで覆って、そこから出てくる放射線をできるだけ防ぐようにしています。このコンクリートブロックの内側で、陽子が標的に当たって、いろいろな粒子を取り出し、いろいろな実験に使っています。
お伺いしたときはメンテナンス中だったので、ビームラインの上で作業をしていらっしゃいました。
COMET実験
これがCOMET実験！…ただのコンクリートブロックに見えますが、そのとおり、ただのコンクリートブロックの蓋です。この写真は地上1階で撮ったものなのですが、このコンクリートブロックの下の地下にCOMET実験で陽子をぶつける炭素ターゲットが設置されています。
ちなみにこの炭素ターゲットは5T（テスラ）というとても強力な磁場を作る超伝導電磁石で囲われていて、陽子が衝突して生成されたパイ中間子をいい感じに実験装置に流れるように設計されています。
改めて地下に降りると、蓋のようなものが設置されていました。この蓋に、ミューオンをぶつけてミューオン原子を作るためのアルミニウムのターゲットと電子を検出するための装置であるCyDet検出器と呼ばれるCDC（円筒形ドリフトチェンバー検出器）とCTH（円筒形トリガーホドスコープ検出器）を組み合わせたものが取り付けられる予定になっています。
そして上の写真に写っている円盤のようなものが、StrawECAL（ストローチューブ飛跡検出器）と呼ばれる検出器です。これはCyDet検出器と置き換えて使うことができる検出器で、今回の実験（phase-I）ではミューオンのビームの状態を詳しく調べるために使われる予定になっています。
この検出器の写真をよーく見てみるとわかると思うのですが、このStrawECALの中には銀色のストローのようなものがたくさん並んでいます。このストローのようなものは電子やミューオンを検出するためのストローチューブトラッカーと呼ばれるもので、ひとつの検出器あたりになんと2000本も組み込まれています。この2000本のストローで電子やミューオンの飛跡を確認することができるのです。
このストローチューブトラッカーですが、表面にアルミを薄く蒸着したマイラーと呼ばれる厚み20μmのフィルムをくるっと巻いて超音波で溶接することでストローの形を作っています。ストローの中心には金メッキをしたタングステンのワイヤーを張り、そのワイヤーに電気を通して、ストローにガスを詰めてあげると、ストローに電子やミューオンが飛び込んだときに信号が得られるような検出装置になるのです。
このストロー、外が真空の状態で中にガスを詰めることになるため、ある程度の強度が必要です。ですが、丈夫にするためにストローの壁を厚くしてしまうと、ストローの壁を電子やミューオンが通り抜ける確率が下がってしまいます。そのため、できる限り薄く、でも丈夫に作らないといけません。これがとてもとっても難しいそうです。
おまけの写真
陽子が飛んでいたりターゲットが置かれていたり実験装置があったりで、たくさんのコンクリートブロックが設置されているハドロン実験施設ですが、ブロックの上に三角コーンが立っていることからもわかるように、施設内を移動するにあたってはこのブロックの上を歩いたりすることもあります。
なかなか不思議な気持ちになります。ちょっとだけマリオみたい。
このCOMET実験、2025年頃に実験を開始する予定になっています。ミューオンで標準理論は超えられるのか…とっても楽しみです！
今回のレポートを描くにあたって、COMET実験やハドロン実験施設のいろいろをご説明してくださったKEKの三原さんには大変お世話になりました。お忙しいのにもかかわらず時間を割いていただき、本当にありがとうございます！
J-PARCのwebサイトはこちら。
https://j-parc.jp/c/
付録（マンガの横長ver.）
スライドなどに使いやすそうなレイアウトのマンガです。
素粒子はかわいい。素粒子のイラストやマンガを描いています。博士（理学）