世界最高の暗黒物質検出器は最初の試みで失敗した

暗黒物質の探索は地下で進行中だ。今年4月に終了した3か月以上続いたLUX-ZEPLIN（LZ）による最初の実験では、世界で最も感度の高い暗黒物質検出器は、宇宙空間で弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）と呼ばれる仮説上の暗黒物質の痕跡を発見しなかった。確かなデータはないものの、科学者らは米国エネルギー省が主導する実験が計画通りに機能していることを確認しており、今後の実験で暗黒物質が発見される可能性を残している。

「今のところ、これはちょっと奇妙なことです。私たちは何も発見していない世界一だと言っているのですが、数年後には新しい物理学を発見する見込みは完全にあり得ます」と、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの教授でLUX実験チームのメンバーでもある天体素粒子物理学者のチャムカウル・ガグ氏はニューサイエンティスト誌に語った。

暗黒物質は宇宙の 27 パーセントを占めると考えられています (星や銀河の目に見える物質は 5 パーセントに過ぎないかもしれません)。とはいえ、誰もそれを検出したことはありません。これは、暗黒物質には光を放射、吸収、反射しない粒子が含まれているため、電磁放射で測定することさえ難しいためです。しかし、物理学者や天文学者は、暗黒物質が目に見える物体に及ぼす重力効果 (星が宇宙空間を飛び回るのを防いだり、銀河が崩壊するのを防いだりするなど) により存在することを知っています。暗黒物質は、宇宙をつなぎとめる目に見えない接着剤であると仮定されています。

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WIMP は、科学者にとって暗黒物質の検出における最善の策です。光子やアクシオンなど、他の仮説上の暗黒物質は非常に小さく、波のように振る舞います。しかし、WIMP は質量を持ち、他の可視物質と相互作用することはほとんどありません。また、毎秒数十億の WIMP が私たちの体を通過しています。暗黒物質を研究することで、専門家は宇宙の本当の基盤が何であるか、そして将来宇宙に何が起こると予想されるかについて、より深く理解できるようになります。

宇宙の秘密を解き明かす鍵は、サウスダコタ州のブラックヒルズの地下 1 マイルに埋もれています。LZ 実験は、10 トンの純粋な液体キセノン タンクが入った 2 つのチタン製タンクで構成されています。また、微弱な光を検出できる光電子増倍管のアレイも 2 つあります。WIMP の形の暗黒物質がキセノン原子と衝突すると、電子が弾き飛ばされます。粒子の衝突によって、LZ 実験が捉える光のきらめきが短時間発生します。

この実験が地下で行われるのは、宇宙放射線や人体からの放射線が暗黒物質の信号をかき消す可能性があるためだ。そのため、検出器を水没させることで感度が上がり、暗黒物質の兆候を発見できる可能性が高まる。「ささやき声を聞こうとしているようなものです。ニューヨーク市の中心部でやると、雑音が多すぎて聞こえません。私たちの背景から離れる必要があります。降り注ぐ宇宙線やゴミによって、探している非常にまれな信号が隠れてしまうからです」と、ローレンス・バークレー国立研究所の上級物理学者で、LZプロジェクトの調整役を務めるケビン・レスコ氏は2020年にポピュラーサイエンス誌に語った。

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最初の結果では暗黒物質は発見されなかったが、この装置はうまく機能しており、期待通りに機能していることが示された。「数か月前に電源を入れたばかりで、しかもコロナ対策の制限中だったことを考えると、すでにこのような重要な結果が得られたことは素晴らしいことです」と、実験の初期段階を指揮したバークレー研究所の物理学コーディネーター、アーロン・マナレイセイ氏はバークレー研究所のプレスリリースで述べた。

「我々は今、スタートラインを切った」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学教授で、LZの元広報担当者であるハリー・ネルソン氏は2回目のプレスリリースで述べた。「LZは、これまでに作られたどの検出器よりもはるかに強力な暗黒物質検出器であり、今後数年で発見を行う独自の能力を備えている。」