ExperimentalParticlePhysics

FASER(ForwArd Search ExpeRiment) †

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　FASER（ForwArd Search ExpeRiment、フェイザー）実験は、これまでに発見されていない新粒子の探索や高エネルギーニュートリノの観測を通して、素粒子と宇宙の謎に迫る実験です。2021年春、スイス・ジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機関（CERN）に検出器を設置し、2022年に大型ハドロン衝突型加速器（LHC：Large Hadron Collider）のRun 3におけるデータ取得を開始しました。2026年にRun 3でのデータ取得を終え、現在は取得したデータの解析と、2030年に開始予定のRun 4に向けた検出器のアップグレードに取り組んでいます。このページでは、FASER実験や九州大学グループにおける研究活動について紹介します。

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FASER実験の概要 †

　FASERの大きな特徴は、LHCの陽子衝突点から約480 m離れたビーム軸上に設置されていることです。陽子衝突で生成される粒子の一部はビーム軸に沿った前方領域へ飛びますが、この領域は従来の大型検出器では測定が難しく、これまで十分に調べられてきませんでした。FASERは、前方へ集中する粒子を効率よく捉えるとともに、衝突点との間にあるLHCの磁石と約100 mの岩盤を利用して、多くの背景粒子を取り除きます。この独特な環境により、従来のLHC実験では捉えることが難かった軽く弱結合の新粒子の探索と、衝突型加速器で生成される高エネルギーニュートリノの観測を実現しています。

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どうやって粒子をみる？ †

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　素粒子は小さすぎて、目で直接見ることはできません。そこで、粒子が物質を通過したり、物質と反応したりしたときに残す痕跡を、検出器を使って調べます。
　FASERには、大きく分けて二種類の検出器があります。一つは、写真フィルムに似た「エマルション」を用いるFASERν検出器です。ニュートリノが物質と反応して生じた粒子の通り道を、細かく記録します。もう一つは、粒子が通過したときの信号を電子回路で読み出す検出器です。九州大学の素粒子実験研究室では、主にこちらの検出器の開発やデータ解析に取り組んでいます。
　信号を電子回路で読み出す検出器では、いくつかの装置を組み合わせて粒子の痕跡を調べます。例えば、Tracker検出器は荷電粒子が通った位置を記録します。記録された点をつなぐと粒子の通り道が分かり、磁場の中での曲がり方から電荷や運動量を調べられます。また、カロリメータは電子や光子などが残したエネルギーを測ります。こうした情報を組み合わせることで、新粒子が崩壊したときや、ニュートリノが物質と反応したときに何が起きたのかを調べることができます。

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これまでの主な成果 †

　FASER実験では、2022年のデータ取得開始以来、新粒子の探索と高エネルギーニュートリノの研究で、さまざまな成果を発表してきました。
　新粒子探索では、FASERに到達した粒子が崩壊するときや、検出器を通過するときに残す痕跡を調べます。これまでに、2022年のデータを用いたダークフォトンの探索と、2022～2023年のデータを用いたアクシオンに似た粒子（ALP）の探索を論文として発表しました。また、2022～2024年のデータを用いたQuirkと呼ばれる新粒子の探索も、2026年にプレプリントとして公開しました。新粒子の発見には至っていませんが、それぞれの粒子が存在し得る範囲を絞り込んでいます。
　ニュートリノ研究では、電気信号で読み出す検出器を使い、2022年のデータからミューニュートリノの反応を観測しました。2023年に発表したこの結果は、衝突型加速器で生成されたニュートリノの世界初の直接観測です。続く2024年には、エマルションを用いたFASERν検出器によって、2022年のデータから電子ニュートリノの反応を世界で初めて直接観測した結果を発表しました。さらに、電気信号で読み出す検出器では、2022～2023年のデータを用いてミューニュートリノの反応の起こりやすさと到来する量をエネルギーごとに測定しました。また、2022～2024年のデータから電子ニュートリノの反応を5.5σの有意度で観測したという予備結果を、2026年に発表しました。

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九州大学での取り組み †

　九州大学素粒子実験研究室では、2026年現在、准教授1名、助教1名、博士課程の学生3名、修士課程の学生3名の計8名がFASER実験に参加しています。研究テーマは取得データを用いた物理解析から検出器の開発まで幅広く、それぞれの興味や専門を生かして研究を進めています。ここからは、九州大学グループの主な取り組みを紹介します。


① 取得データを用いた物理解析
　九州大学グループでは、2024年までに取得したデータを用いた物理解析に参加するとともに、2025年・2026年のデータを用いる新たな解析の準備を進めています。新粒子の探索や高エネルギーニュートリノの研究に向けて、検出器の応答の確認や解析手法の検討に取り組んでいます。