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 SY3)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28cmの空洞で、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。
準備状況
EBES実験は2022年から準備を開始しました。これまでに、ターゲット領域と遮蔽領域が完成しています。さらに、ビームパイプから漏れ出る背景事象を提言するため、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。
2023年には、EBES実験領域で背景事象の測定を行いました。そして、KEK LINACの運転パラメータを最適化することにより、背景事象を十分提言することに成功しました。また、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。
EBES実験は2025年度に検出器領域を完成させ、最初の物理測定を開始する予定になっています。