EBES実験
はじめに
宇宙観測によって、人類がこれまでに検出できている物質（通常の物質）は宇宙に占めるエネルギーの約5パーセントに過ぎないことが分かっています。残りの27パーセントの寄与がまだ発見されていない未知の素粒子（暗黒物質）、68パーセントが未知のエネルギー（暗黒エネルギー）だと考えられています。通常の物質についての素粒子理論（標準模型）は既に完成されており、あらゆる実験結果を矛盾なく説明できています。一方、標準模型は暗黒物質や暗黒エネルギーは取り扱っておらず、宇宙全体を記述する理論としては不十分です。そのため、宇宙の理解を深めるためには、未知の新素粒子を発見し、暗黒物質がどのような物理法則に従っているのかを明らかにする必要があります。
宇宙の謎を紐解くために世界中でさまざまな新粒子の探索が行われています。EBES(Electron Beamdump Experiment at KEK LINAC Switching Yard 3)実験は新たに開始される実験で、新粒子の有力候補であるアクシオンを探索します。
実験手法とセットアップ
EBES実験では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)にある電子・陽電子線形加速器(LINAC)からの電子ビームをタングステン標的に入射します。すると、電子とタングステンの相互作用によって、アクシオンを生成することができます。そして、アクシオンの崩壊によって出てくる2つの光子を捕らえることを目指しています。EBES実験は、ビーム上流からターゲット領域、遮蔽領域、崩壊領域、検出器領域で構成されています。ターゲット領域は、電子ビームを入射するためのタングステン標的と、そこから発生する2次粒子を遮蔽するために鉛ブロックを設置しています。遮蔽領域は、タングステン標的で生成される背景事象を遮蔽するために、鉛ブロックや鉄を配置します。崩壊領域は約1mの円錐形をした空洞で、この領域で2つの光子に崩壊したアクシオンを探索します。最後段にある検出器領域は、シリコン・ピクセル検出器と鉛ガラス検出器で構成されています。アクシオンからの2つの光子はこれらの検出器で捕えます。
実験の状況
EBES実験は2022年から準備を開始し、各要素の開発に取り組みました。そして、2025年秋に第一期セットアップが完成し、最初の物理データの取得に成功しました。現在はアクシオン探索のためのデータ解析に取り組むと共に、アクシオンへの感度を高めるための検出器アップグレードを実施していきます。
第一期セットアップのための開発要素
2023年は、ターゲット領域を開発しました。ターゲットで発生する熱を冷ますための空冷パイプを実装し、今後のアップグレードも想定して、移動可能な設計としました。さらに、ビームパイプから漏れ出る背景事象を低減するため、13mにわたりビームパイプを取り囲むように鉛シールドを配置しました。
2024年は、KEK PF-ARテストビーム・ラインの電子ビームを使用して、鉛ガラス検出器の性能評価を行いました。この試験によって、鉛ガラス検出器は想定通りのエネルギー分解能を達成していることを確認できました。
2025年は崩壊領域と検出器領域を開発し、これによって第一期セットアップの全ての要素開発を終えました。
