科学者が暗黒物質を探している金鉱を垣間見る

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ケージのドアがガラガラと閉まる直前、一瞬の沈黙があり、私たちは地中 4,850 フィートへの 15 分間の降下を開始しました。私たちはぎっしりと詰め込まれていました。約 30 人の物理学者、エンジニア、生物学者、そして (ほとんどが) 鉱夫のチームでした。実際、元鉱夫です。ここは 18 年間、稼働していない鉱山でした。リフトを操作している男性が、上にいるウインチ オペレーターに、キャビンが満員で、準備完了であることを知らせました。かつて北米最大かつ最深の金鉱だった場所の頂上に吊り下げられた、つかの間のうっとりとした瞬間、すべてが静まり返りました。頭上のどこかで、この 2 月の日に、サウスダコタの極寒の風がかすかに吹き、ブラック ヒルズを吹き抜けていました。私たちが降下し始めたとき、私たちが去ろうとしているすべてのこと、私たちが去ろうとしている世界全体を思い出させました。

そしてドロップします。

そしてドロップします。

ケージはゆっくりと着実に進み、1秒あたり約5フィートを進んだ。私たちは、暗くて水が滴る浅い層への開口部を通り過ぎた。生物学者たちは、これらのうちいくつかで作業し、泥からバクテリアをかき集め、極限環境生物を研究して、他の惑星に存在するかもしれない生命体について考えていた。壮大な謎であることは確かだが、私たちの目的地はさらに下にあった。サウスダコタ州デッドウッド郊外のリードにある旧ホームステイク鉱山の4850階で、現在はサンフォード地下研究施設（SURF）となっている。ここでは、世界中の物理学者が、生命そのものよりも根本的な謎を解こうとしている。つまり、宇宙は主に何でできているのか？

陽子、中性子、電子は、私たちにとってはおなじみのものです。基本的なものですらあります。さらに、アルファ粒子やベータ粒子、クォーク、ニュートリノといった、より奇妙で小さな亜原子物質についても説明がつきました。それでも、それらは納得がいきません。まったく納得がいきません。存在が存在するためには、銀河が今のように回転するためには、遠くの星からの光が今のように曲がるためには、これまで私たちが見てきたものよりもずっと多くのものが宇宙に存在しなければなりません。すべての素粒子を分類する標準モデルは、宇宙の質量のわずか 16 パーセントを占めるにすぎません。つまり、残りは 84 パーセントです。この残りが何であるかについてはいくつかの理論がありますが、すべて同じ名前で呼ばれています。それは、暗黒物質です。

暗黒物質の実際の性質は、多くの議論の対象となっています。それは、陽子のような 1 つの種類の粒子である可能性もありますが、電子やクォークのような複数の異なるものである可能性もあります。具体的な証拠が見つかるまでは、確かなことはわかりません。このケージが下降している精巧な実験の目的は、その証拠を見つけることです。

この深海には、周囲から放射される雑音から隔離された場所に、極めて複雑な検出器が設置されている。カメラトラップとでも呼ぼう。これは、暗黒物質の有力候補で、弱い相互作用をする巨大粒子であるWIMPと呼ばれる物理学上のユニコーンの存在を記録するために設計・構築された。このプロジェクトの中心には、世界の年間液体キセノン供給量の約4分の1が入った高さ5フィートのタンクがある。WIMPがそこを通過すると、キセノン原子核に当たって閃光、つまり光子を発する可能性がある。この装置は2020年後半にも稼働し始め、5年間稼働する。その時点で、チームは暗黒物質である可能性のある粒子の証拠を見つけるか、そうでないかのどちらかになる。このプロジェクトはLUX-ZEPLIN、またはLZと呼ばれている。 LUX は Large Underground Xenon (大規模地中キセノン)、ZEPLIN は LIquid Noble gases (液体希ガス中のゾーン比例シンチレーション) の略です。おそらく、WIMP を発見する最高のチャンスとなるでしょう。

「物理学にとって、今は最もエキサイティングな時期です。まだ本当に大きな謎が目の前に広がっているからです」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・レスコ氏は言う。2020年初頭、検出器は組み立ての最終段階にあった。6人から12人の物理学者とエンジニアのチームが、毎日午前8時から深夜まで2交代制で、5年以上にわたって光子検出やコンピューターモデリングなど多様な分野の専門家と、7カ国約37の機関の協力を得た実験に取り組んだ。「宇宙を説明する方法はわかっているとよく言われます。そして今、私たちは宇宙の大きな地図を解明しようとしているのです」と、レスコ氏は大規模な共同作業について語る。

キセノンタンクは、最も物質が多いものを特定してその地図を埋める上で極めて重要なツールです。2019年10月、キセノンタンクは、ミスや衝突の余地がほとんどない、高度に計画された1日がかりのイベントで、ケージを通って坑道を下っていきました。一度滑って墜落すれば、何年もの計画と何百万ドルもの研究開発費が坑道を下っていったでしょう。

暗黒物質の証拠はいたるところにあるが、その物質そのものを我々はまだ垣間見ていない。1933年、カリフォルニア工科大学に所属するスイスの天文学者フリッツ・ツビッキーは、銀河団の速度が意味をなさないことに気づいた。目に見える物質の重力だけでは、集団が散らばるのを防ぐのに十分ではないからだ。これらの天体が現在のように集まるためには、目に見えない質量（と重力）がそれらを引き寄せているに違いない。1970年代、天文学者のヴェラ・ルビンとケント・フォードはアンドロメダ銀河の渦巻きを研究し、誰もが驚いたことに、最も外側の端にある星が中心の星と同じ速さで動いていることを発見した。これは、ケプラーの惑星（この場合は銀河）の自転に関する第3法則に反する。この法則では、中心核の周りを回る物体は、中心から離れるほど動きが遅くなるとされている。光が届かないということは、もっと遠くにある質量がこれらの天体に影響を与えているということだ。遠く離れた星からの光が地球に届くまでに曲がる様子や、宇宙マイクロ波背景放射の一貫性、銀河の楕円形や渦巻き形など、他にも手がかりはある。これらすべてが、光らない目に見えない巨大な質量の存在を示唆している。

宇宙を覗くと、暗黒物質が宇宙の形状や外観に及ぼす影響をある程度知ることができますが、その証拠はすべて間接的で、影の影にすぎません。物理学者がその原因となる粒子を観測できるようになるまで、この目に見えない物質は謎のままです。物理学者は約 30 年にわたってその実現に取り組んできました。フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡などの高高度機器で暗黒物質の崩壊の証拠を探し出し、暗黒物質を示す図表を作成しようとする実験もあります。このアプローチは間接検出と呼ばれています。

代わりに、他の技術では暗黒物質を作ろうとしている。2012年以来、物理学者たちはまさにそれを実現できる実験をスイスのジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器で行ってきた。ATLASと総称されるこの取り組みでは、陽子を衝突させてビッグバンの状況を模倣する。ビッグバンとは、理論上は暗黒物質も含め、宇宙のあらゆるものが形成されたときのことだ。加速器に投入されたことが分かっているエネルギーと、加速器から出てくるものの測定値を比較することで、科学者たちは暗黒物質の存在を証明できるかもしれない。

多くの場合、暗黒物質の探査者は確固たる証拠を求めている。つまり、直接検出したいのだ。しかし、やはり、彼らが探しているものが何なのか正確には誰もわかっていない。WIMPのほかに、別の潜在的な犯人がいる。それは、アクシオンと呼ばれる理論上の粒子だ。アクシオンが存在するなら、中性子が、たとえ荷電したクォークが内部で動き回っていても、中性のままでいられる理由を説明するのに役立つだろう。また、アクシオンの質量は電子の約1兆分の1であるため、何兆個ものアクシオンが角砂糖大の空間に収まることになる。物理学者たちは、アクシオンを見つける秘訣は、アクシオンが光子に崩壊する速度を速めることだと考えている。光子への崩壊は比較的簡単に見つけられる。ワシントン大学のチームが構築した検出器は、巨大で信じられないほど強力な磁石を使ってその速度を速め、崩壊の可能性のあるマイクロ波周波数に調整された共振器で監視している。

しかし、科学者たちが長年にわたり暗黒物質の構成について提唱してきた幅広い分野（原始ブラックホールから太陽の半分を占める MACHO（巨大天体コンパクトハロー天体）まで）の中で、WIMP は依然として主要なターゲットであり続けている。WIMP が存在するとすれば、理論物理学で人気の高い別の概念である超対称性、つまり目に見えるあらゆる質量には、光らない対応するもの、つまり陰と陽が存在するという考え方にうまく沿うことになる。この考えが正しければ、標準モデルでカバーされるすべてのものを足し合わせたものが、WIMP の存在によって反映されることになる。宇宙は、不可知で混沌としているように見えるかもしれないが、このようなエレガントな解決法に向かう傾向がある。あるいは、このようなエレガントな解決法が宇宙を説明する傾向がある。

それでも、WIMPの世界でさえ、疑問は残る。粒子は、約1個の陽子から10万個の陽子まで、さまざまな質量で存在する可能性がある。SuperCDMSと呼ばれる実験では、LZよりも小さなWIMPを探している。カナダのオンタリオ州にあるニッケル鉱山に設置されたこの実験では、シリコンまたはゲルマニウムの結晶でできた6つの検出器を使用している。WIMPが検出器に当たって結晶の電子を乱すと、相互作用によって振動が生じ、その信号が増幅される。この装置は、熱エネルギーによって発生するノイズをカットするため、華氏マイナス450度で稼働する。また、地下深く（6,800フィート）に設置されているため、日常生活の放射能や、星からチャックテイラーの靴底まであらゆるものから発せられる宇宙の雑音からは守られている。

キセノンを使ったWIMP検出の試みは他にもある。イタリアのグランサッソ山の麓にある国際的な取り組みで、その名も「XENON」だ。参加した科学者らは2020年6月、実験で余分な背景信号が検出されており、アクシオンの存在を証明することになるかもしれないと発表した。あるいはニュートリノかもしれない。あるいは汚染の結果かもしれない。暗黒物質の多くと同様に、データは現実を変えそうなほどのものであるように見えるが、結局は何もなかったことが判明する。

レスコ氏は、LZ のより小規模な前身である LUX を含め、このような地下実験に 30 年近く取り組んでおり、こうした取り組みが常に地下深くで行われる理由を次のように説明する。「想像してみてください。ささやき声を聞こうとしているのです。ニューヨーク市の中心部でやったら、雑音が多すぎて聞こえないでしょう。周囲の環境から離れたいものです。宇宙線やゴミが降り注いでいるため、探している非常にまれな信号が隠れてしまいます」。しかし、レスコ氏はここで言葉を止めた。「信号、粒子は必ずしもまれなものではなく、まれなのは、観測できるものとの相互作用なのです」。

観察の難しさは、あらゆる潜在的な干渉を排除するという強迫観念を生む。だからこそ、レスコは毎月1週間、鉱山を改装した研究所を訪問するためにリードに飛び立つ（もちろんパンデミック前）、彼とクルーが取り組むことの多くは、あらゆるものを可能な限り非常に清潔に保つことだった。どこでも難しい作業だが、岩に掘られたトンネルの奥深くでは途方もなく難しい。

4850 階でケージのドアが開き、私たちは全員外に出ていきました。科学者やスタッフのチームが電気カート (鉱山用カートです!) に乗り込み、さらに遠くの研究所に向かって 4 分の 1 マイルの照明の​​ない土の床の通路を進みました。エレベーターで運ばれた場所に近づいたところで、私はブーツを履き替え、この場所から決して出ない非常にきれいなトレイル ランナーを履きました。電話、ペン、ノート、手を拭き、靴についたほこりを落とすためにベタベタした床を踏みしめ、LZ が組み立てられている部屋に続く長い廊下を進みました。ドアから長く高い笛の音が聞こえ、恐ろしい叫び声のように聞こえました。

「あれはパイプに流している液体窒素の音だ。うるさい！」と、ローレンス・バークレー国立研究所の物理学者アーロン・マナレイセイが、ガスの音にかき消されて叫んだ。マナレイセイは大学院生のチームとともにここに来て、数か月かけてLZの何千もの構成部品の組み立てを終えた。部品はほぼすべてのスペースを占めていた。

叫び声が静まると、私たちは二重扉をくぐってその空間に入った。まず目に入るのは、LZ 実験の中心にある巨大で輝くタンクだろうと予想していた。しかし実際には、センサーからコンテナ外のコンピューターの山まで伸びるパイプやワイヤーの列、キセノンガスを華氏 -163 度 (液化する温度) よりわずかに低い温度に冷却し、タンク自体の背景干渉を減らす低温パネル、まだ組み立て中のエリアに掛けられたプラスチックのカーテン、エアダクト、ロッカー、オレンジ色のコーン、注意書きの標識があった。その中心には、高さ 20 フィートの湾曲したステンレス鋼の構造物が置かれていた。これが LZ のタンクの第 1 層だ。これには 7 万ガロンの水が満たされ、内部のキセノン室をさらに緩衝することになる。いわば巨大な魔法瓶だ。

小さくて重い、開く舷窓をのぞくと、聖域であるキセノン タンクが見えました。なぜキセノンかって? 非常に密度が高く、希ガスの 1 つとして不活性だからです。ほとんどの場合、接触するほとんどの物に反応しません。言い換えれば、非常に静かです。そのため、元素内の反応が目立つ傾向があり、それは暗黒物質の存在を証明することになるかもしれない突然の閃光を見つけようとするときにまさに必要なことです。このチタン容器の中には、光子検出器、つまりトラップ内の「カメラ」がありました。巨大な容器の上部と下部に、直径約 5 フィートの 2 つの円にハニカム構造になった数百本の 3 インチ幅のチューブがありました。

私たちは舷窓から一歩下がって、梯子を上って外側のタンクの中ほどにある中二階に上がった。そこでは、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの物理学研究員、テレサ・フルスが検出器の作業をしていた。彼女は、検出器がシステムの他の部分でどのように機能するかをテストしていた。彼女の説明によると、管は捕捉および増幅装置として機能する。WIMP であろうとなかろうと、粒子がタンク内を移動してキセノン原子の核に当たると、光の形でエネルギー、つまり光子、あるいはおそらくは多数の光子が発生する。アレイはこれを吸収して電子に変換する。それぞれがデータ ポイント (X、Y、Z 座標) を表し、相互作用がエリア内のどの部分から発生しているかを示す。

こうした現象のほとんどは、周囲の岩壁の崩壊から生じる。「それは起こるでしょう」とフルス氏は言う。「私たちは気にしません」。物理学者はこうした信号がどのようなものかを知っており、簡単に無視できる。さらに、これほど大量のキセノンがあることの利点の 1 つは、タンク自体、水、もう 1 つのタンク、さらにその上の 1 マイルの地球に加えて、その外縁が緩衝材の役割を果たすことだと彼女は説明した。「中心に近づくと、ずっと静かになります」。ここは、暗黒物質が見つかるかもしれない場所だ。あるいは、「まれな相互作用を合理的に探せる場所」だ。

タンク内でまれな相互作用が起こった場合、誰にも気づかれないまま一瞬消えてしまう可能性があります。最後のコツは、おそらく最も難しいことですが、他のすべての活動の中でこの瞬間的な活動を確実に見つけることです。LZ がオンラインになると、年間約 10 億回の相互作用が記録されます。このペタバイト相当のデータは、マリア エレナ モンザーニが担当しています。彼女はスタンフォード大学の SLAC 国立加速器研究所に勤務し、LUX-ZEPLIN のソフトウェアとコンピューティング インフラストラクチャを管理しています。

これまで誰も暗黒物質の相互作用を見たことがないので、実際に見たものすべてについて確信を持つことが重要です。モンザーニは、未知のものを際立たせやすくするために、すべての「既知」のカタログ作成とモデル化を調整しています。「数十億のイベントがあり、その中で暗黒物質はほんの一握りです」とモンザーニは言います。「その数十億のイベントが何であるかを理解することは非常に重要です。それがわかれば、「ああ、これはすごい」とわかるのです。」

モンザーニは、本質的には、実際には存在しないもの (パターン、粒子) を見たいという心の衝動に対する予防接種を監督しています。彼女は、世界中に散らばった数個小隊分の物理学者を、LZ の完全なシミュレーションを実行する 2 つのデータ センターで作業させています。彼らは、マシン、アルゴリズム、そしてもちろん、人間を調整しています。人間を調整するために、モンザーニと彼女のチームは、LZ タンクのシミュレーションからデータセットを大量に作成し、その後、悪意を持って、本物そっくりの余分なデータを追加します。これはソルティングと呼ばれる方法です。

モンザニのチームは、たとえば、WIMP が通過後に残すエネルギーに似たデータを投入します。彼らはこれらのマーカーが偽物であることを知っていますが、アナリストは知りません。そのため、物理学者が刺激的な相互作用を見つけたいという非常に現実的な欲求から生じる可能性のあるバイアスを減らすためのブラインド テストが作成されます。試運転が終了すると、モンザニのチームはどの信号がプラセボであったかを明らかにします。この場合、残っているのは LZ シミュレーションによって作成された「本物」の信号です (実験がオンになり、ライブ データが入り始めると、このプロセスが繰り返されます)。誰もがダーク マターを見つけたいと思っています。ソルティングは、正直になるように彼らを訓練します。

春の半ばには、LZシステムのシミュレーションを次から次へと実行することが、作業の大部分を占めるようになった。2020年3月、COVID-19のパンデミックにより、施設は重要なメンテナンス以外の現場での作業を停止せざるを得なくなった。科学者の中には、特に海外への渡航は危険と思われたため町に留まった者もいた。また、リード（人口3,021人）は、ウイルスによる宙ぶらりん状態にどれだけ長く留まろうとも、十分に快適な場所だった。

地上でやるべきことはまだたくさんあり、調整も完璧にしなければならない。いつ開始しても、粒子がLZの検出範囲内にあるかどうかを知るのに十分なデータを集めるには、WIMP探知に5年かかるだろう。さらに、プロジェクトコーディネーターのレスコが指摘するように、何カ月にもわたるダブルシフトの成果は実を結んだ。4850での組み立てはほぼ完了し、プロジェクトは安定した安全な場所にあった。パンデミックの際、地下1マイル近くにある場所ほど安全な場所はほとんどない。

それでも、私たちと同じように、彼らは、これがいつ終わるのか疑問に思っている。実験に完全に復帰できるのはいつなのか、そして、いったん復帰したら、LZ タンクを密閉し、検出器アレイを注意深く待機させながら、何かが見つかるのだろうか。過去 30 年間で WIMP の兆しをつかもうとする 12 回近い試みはどれも成功していない。しかし、光子検出器の専門家である Fruth のようなチーム メンバーは、自分たちのライフワークが何も生み出さない可能性について楽観的だ。「何かではないとわかっていても、それはまだ価値がある」と彼女は言う。WIMP が正確に何なのかわからないときは、それが何でないかを見つけることに価値がある。

不確実性とともに生き、未知のことを熟考することは、科学者、特にこの現在進行中の探求に取り組んでいる物理学者にとって心地よい空間である。フルス氏は暗黒物質を地図の空白部分、「ここに怪物がいる」部分に例える。「私たちはこの線を引きます」と彼女は言う。「そして『ほら、この線の向こうは何も知らない』と言います。そして少し先へ進むと、少しだけ知識が増えます。そして線が動き、私たちもそれに合わせて動きます。」

このストーリーは、 Popular Scienceの2020年秋ミステリー号に掲載されています。