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。

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K中間子のウルトラレアな崩壊を見つけたい！KOTO実験！

コマを横に配置してスライドなどに使いやすそうなver.はこちら

たんけんJ-PARC、今回はJ-PARCのハドロン実験施設でK（ケイ）中間子の珍しい崩壊を見つけて詳しく調べることで、素粒子物理学の標準理論のほころびを見つけようとしているKOTO（こと）実験！

中間子とは、クォークと反クォークが結びついてできている粒子のこと。その中でもK中間子は、第1世代のクォークと第2世代のストレンジクォークが結びついてできたものです。第1世代のクォークにはアップクォーク、ダウンクォーク、反アップクォーク、反ダウンクォークの4種類があります。それに合わせてK中間子も、プラスの電荷を持つK+（ケイプラス）、マイナスの電荷を持つK–（ケイマイナス）、そして電荷を持たないK0（ケイゼロ）と反K0（反ケイゼロ、ケイゼロバー）の4種類が存在します。

このKOTO実験では、そのうちのK0と反K0の2個のK中間子が混ざり合ってできているKL（ケイエル）中間子について詳しく調べています。（「混ざり合う」の概念が少し難しいですが、「両方の性質を持っている」くらいでゆるく憶えておいてください）。ちなみにKOTO実験の「KOTO」とは「K0 at Tokai」の略で、東海村でK0中間子について詳しく調べちゃうぞ！という実験なのです。

そんなKL中間子、数百億に1回というとても小さな確率で、別の中間子であるπ0（パイゼロ）中間子とニュートリノ、反ニュートリノに崩壊することが知られています。

この崩壊はCP対称性（物質と反物質の違いに関わるもの）を破っているのですが、その確率は素粒子物理学の基本となっている標準模型でとても正確に計算することができます。この計算された確率と実験で得られた確率が本当に一致するのか、もし一致しない場合には、そこには標準模型を超えた物質と反物質の違いに関わる新しい物理が存在するかもしれないのです。物理学者さんたちは、KL中間子のとても珍しい崩壊についてとても詳しく調べることで、この新しい物理の発見に期待を寄せているのです！ドキドキ！

そんなドキドキするKOTO実験ですが、おおよそ次のような方法で行われています。

  1. J-PARCで加速した陽子をターゲットにぶつけてKL中間子を作る
    • J-PARCのMR（メインリング）で30GeVに加速した陽子を、ターゲットの金原子にぶつけてKL中間子を含むいろいろな粒子を作る！
  2. KL中間子を検出器で囲われた領域に導く
    • KL中間子を選別して、大きな円筒形の容器に導いてあげる。この円筒形の容器の中には（一部は容器の外にも）、光子や荷電粒子を検出するための検出器がたくさん設置されています。
  3. KL中間子が崩壊して生まれるπ0中間子、そのπ0中間子がさらに崩壊して生まれる2個のガンマ線（光子）を検出器で観測する
    • この検出器が囲われた領域の中でKL中間子が崩壊させて、見つけたいウルトラレアな崩壊が起こす光子が2個だけ飛び出すイベントを見つけ出す！
  4. KL中間子がレアな崩壊を起こす確率を測定する
    • 標準模型によって計算されたレアな崩壊の確率と、実験で得られた確率とを比べる！

KL中間子はいろいろな崩壊パターンがありますが、KOTO実験で狙っているのはπ0中間子とニュートリノと反ニュートリノに崩壊するとってもレアなイベントです。π0中間子はさらに2個の光子に分かれるため、最終的には2個のニュートリノと2個の光子が残ります。このうちのニュートリノは検出器をすり抜けてしまうので、2個の光子だけが検出されるイベントを探し出すことになります。

少しだけ写真で見てみるKOTO実験

装置の内側や詳しい部分までは拝見していなのですが、その外観を少しだけ写真で紹介します。

KOTO実験の実験装置。

直径約3m、長さ約8mの水色の円筒形の容器の中は真空になっていて、その中にKL中間子を導き、崩壊の様子を観測しています。ガンマ線や荷電粒子などを検出するための装置が、この中にたくさん設置されているのです。

容器から出てくるたくさんのケーブル。

たくさんの検出器が配置されているということは、たくさんの電源線を中に入れたり、たくさんの電気信号を外に引き出す必要があるということ。そのためのケーブルが真空容器からたくさん引き出されています。

ケーブルケーブルケーブル。

装置の近くは検出器からの信号をまとめるための装置が設置されています。見る人が見たらとっても好きそうな光景です。

実験装置に至るまでの階段。

KOTO実験の観測装置は分厚いコンクリートのシールドに封じられたエリアに置かれていて、天井コンクリートかららせん階段を下りて出入り口に行きます。この写真のグリーンのブロックはシールドの一部です。

少しだけ動画も撮ってみました。

KOTO実験は2013年に開始されましたが、まだ目的としているKL中間子のレアな崩壊を見つけることはできていません。現在の目標は、標準模型が予想する確率近くまでKL中間子の崩壊を観測することです。たくさんたくさんKL中間子を観測してスーパーウルトラレアな崩壊を見つけるために、実験は続けられています。

KOTO実験を詳しく説明している素粒子原子核研究所のwebサイトはこちら。
https://www2.kek.jp/ipns/ja/post/2017/10/koto-intro/

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。