サウスダコタ州のほぼ1マイル下の暗黒物質を探す競争

1876 年から 2002 年まで、サウスダコタ州リードの住民はホームステイク鉱山から 35 億ドル相当の金を採掘しました。金は町の主要な産業でしたが、価格の下落と収益の減少によりついに鉱山が閉鎖されると、地中に残った 8,000 フィートの穴をどうしたらよいか誰もわからなくなりました。その後、2007 年に国立科学財団は、8,000 フィートの穴が、世界で最も深い地下研究所を含む大規模な研究施設である深部地下科学工学研究所 (DUSEL) の建設に最適な場所であると決定しました。

現在、物理学者と元鉱山労働者のチームが、ホームステイクの出荷倉庫をサンフォード地下研究所の新しい地上実験室に改造した。彼らは壁と幅木を白く塗り、黄色の床線を追加して、訪問者が巨大な窒素タンク、ロッカーサイズのコンピューター、プラスチックで覆われた機械部品を避けられるようにした。彼らはすぐにこれらの部品の多くを研究所のクリーンルームに集め、LUX（大型地下キセノン暗黒物質検出器）に組み合わせ、それを鉱山の半分の深さまで降ろす予定だ。そこですべてがうまくいけば、最終的には暗黒物質の粒子がいくつか検出されることになる。暗黒物質は、宇宙をまとめている可能性のある、まだ検出されていない目に見えない物質である。

LUX プロジェクトは、暗黒物質の直接的な証拠を見つけるための世界中で少なくとも 10 の取り組みのうちの 1 つに過ぎません。ノーベル賞と長期的な連邦政府の投資が絡んでいるため、LUX の 50 人の研究者とリード (「リード」と発音) の 2,848 人の住民は、先頭に立つことを望んでいることをかなり公言しています。しかし、すでに問題が発生しています。

6 月の午後、私は数時間前からクリーン ルームの窓から、同一の白いタイベック スーツ、ラテックス手袋、青いブーツ、手術用マスク、保護メガネを身に着けた 4 人の物理学者が、検出器の主要コンポーネントのうち 2 つを接続する準備をしている様子を眺めていた。内部のクライオスタットは、誰もが単に「缶」と呼ぶゴミ箱ほどの大きさの中空の円筒で、現在は床下の格子で覆われたピット内にある。ピットの上のフレームからドーム (缶の蓋のようなもの) がぶら下がっており、ドーム自体からはスケルトンと呼ばれる複雑な集合体がぶら下がっている。缶をスケルトンの周りに慎重に持ち上げ、マトリョーシカ人形のように缶をスケルトンの中に入れ子にして、ドーム キャップに接続して完全に密閉するというアイデアだ。

最終的に、この装置全体には、31 ガロンの -154°F 液体キセノン (暗黒物質を実際に検出する媒体) が含まれることになるため、精度が不可欠です。しかし、さまざまな部品は別々の場所で機械加工されており、その完璧な密閉がなければ、空気や不純物が実験に侵入し、結果が損なわれる可能性があります。ケース ウェスタン リザーブ大学の物理学者で、LUX プロジェクトの共同創設者であるトム シャット氏は、「この缶がどれだけ密閉されるのか、私たちは緊張していました」と説明します。

しかし、缶を持ち上げる前に、チームは骨格そのものを完成させなければなりません。現在、骨格はドームの内側の縁から垂れ下がっている 6 本の薄いチタン ストラップでできています。次の作業は、骨格の大部分を構成する 3 枚の厚いディスクを挿入することです。物理学者の 1 人が小型フォークリフトを手動で操作して銅製のディスクの 1 つを腰の高さまで持ち上げ、他の物理学者はそれをチタン ストラップにボルトで固定する最終調整を行う間、ディスクを所定の位置に保持する一時的なサポートを調整します。このプロセスは、3 枚のディスクごとに継続されます。持ち上げ、締め、調整、協議、調整です。

物理学者たちは、骨組みに沿って作業を進め、最後には四つん這いになって、床からわず​​か 6 インチほどの最後の銅板にボルトを回す。彼らはゆっくりと順番に、かかとを後ろに下げて座ったり、立ち上がったりして、自分の作業を観察している。次は、缶の製造をコーディネートする責任者だったシャットだ。彼は席を外し、クリーン ルームの控え室に向かい、作業服を着る。(どこからともなく持ち込まれるような一般的なほこりは、高レベルの放射能を含んでいる可能性があり、検出器が暗黒物質を発見した場合に信号を不明瞭にする可能性がある。)

すぐに大学院生がもう 1 人加わり、クリーンルームは混雑し始めた。6 人の物理学者は、骨格を載せたフレームを横に押して、ピットの格子を開けた。1 人が中に降りて、2 本のケーブルを缶に接続し、よけた。ケーブルはフレームの 2 つの滑車に通されており、チームは滑車を元の位置に戻した。ケーブルのもう一方の端に重りを積み重ねて簡単なエレベーターを作り、缶をゆっくりと持ち上げて骨格の周りを回り始めた。シャットは横に立ち、手のひらを外側に広げ、プレゼントを開けるのを待つ子供のように期待に指を動かしていた。

LUX プロジェクトの他の科学者たちが、この大事な瞬間、つまり缶が実際に機能的な検出器として収まるかどうかを確認する瞬間のために集まっており、私は肘で押しのけられて、大学院生たちが集まっている横の窓のほうへ連れて行かれた。缶が頂上に近づくと、ざわめきが静まった。骨組みは完璧に所定の位置に滑り込んでいた。しかし、缶が最終的に所定の位置に固定されるドームから 1 インチも離れないところで、缶が動かなくなってしまう。シャットと彼のチームは缶を緩めようとしたり、押し込もうとしたりしたが、びくともしない。物理学者たちは、缶の寸法か骨組みの形状が間違っているのではないかと疑っている。この明らかな障害にもかかわらず、彼らは勇敢に数枚の写真のポーズをとった。そして、缶を慎重にピットに戻した。彼らは明日もう一度試す予定だ。

暗黒物質が何なのか、本当に存在するのかどうかさえ誰も知らない。今のところ、それは単なる仮置き、つまり、天体観測をニュートン物理学の法則と一致させるためにさまざまな計算に挿入しなければならない x にすぎない。この名前は、1933 年に 2 つの確立された方法を使用して、1,000 個を超える銀河のグループであるかみのけ座銀河団の質量を計算したスイスの天文学者フリッツ・ツビッキーに由来する。1 つの計算は、ニュートンの運動の第二法則を使用して銀河団内の 8 つの銀河の動きから推定したもので、要するに、銀河が大きいほど、回転が速くなるというものである。もう 1 つは、銀河団の星から放出される光の量を定量化して銀河団の総質量を推定した。

結果は同じになるはずだったが、動きに基づく数値は 1 桁大きくなった。かみのけ座銀河は、放出される光の総量から予測されるよりもはるかに速く回転していた。ニュートンの方程式が成立するには、より多くの質量が必要だった。ズウィッキーは、この失われた塊を「暗黒物質」と名付けた。

ツビッキーの研究は、1970年に別の天文学者ヴェラ・ルビンがアンドロメダ銀河で同様の矛盾を記録するまで、ほとんど無視されていました。それ以来、研究者たちは、少なくとも現在の物理学の理解の範囲内では、他の何百もの銀河の目に見える質量も運動速度を説明するには小さすぎることを発見しました。天文学者はまた、光をレンズの周りで曲げる目に見えない「重力レンズ」を発見しました。これらのレンズには、そもそも時空構造を歪めて光を曲げる識別可能な質量がないにもかかわらずです。これらすべては、宇宙の物質の80パーセント以上が私たちには見えないことを示唆しています。

現在、ほとんどの（ただし、全員ではない）物理学者は、暗黒物質が存在し、それがおそらく WIMP（弱い相互作用をする質量の大きい粒子）と呼ばれるもので構成されていることに同意しています。「質量が大きい」とは、粒子が大きいという意味ではなく、質量があり、重力に反応し、重力を引き起こすという意味です。「弱い相互作用をする」とは、質量があるにもかかわらず、粒子が物質と相互作用することはめったにないという意味です。科学者はまた、WIMP は電磁的に中立であり、それが私たちがそれを見ることができない理由であると想定しています。実際、これまでのところ、暗黒物質の存在に関する議論はすべて推論に基づいています。誰もその物質を直接観察したことはありません。

ルービン氏を含め、多くの科学者はWIMP理論に懐疑的であり、場合によっては暗黒物質の概念自体にも懐疑的である。ニュートン物理学は銀河規模での運動の仕組みを単純に説明できないと考えているのだ。ケース・ウェスタン大学でシャット氏のパートナーであり、LUXプロジェクトの主任研究員でもあるダン・アケリブ氏に、なぜWIMPが最有力候補なのか尋ねたところ、彼は標準的な科学的立場を採用した。つまり、WIMPは単に現在最も優れた理論であるということだ。「簡単に言えば、WIMPは探すべき最もクレイジーでないものだということです。」

ここで、WIMP の存在を前提とする LUX やその他の競合プログラムが登場します。天文学者が宇宙全体で暗黒物質の証拠を見つけると、それは不均一に分布しているように見えます。重力的には、暗黒物質は通常の物質のように振る舞い、凝集します。暗黒物質理論家は現在、暗黒物質がほとんどの銀河を囲む球状の雲に集中していると考えています。私たちの太陽系が天の川銀河内で回転すると、太陽系と銀河はこれらの雲の 1 つの中を移動し、雲内の粒子 (WIMP) は、物理学者の推測によると、1 平方センチメートルあたり毎秒約 10 万個の速度で地球と地球上のすべてのものを流れていきます。

LUX の物理学者と、競合する 10 ほどのプログラムを運営する物理学者のチームは、WIMP をその場で捕らえることを望んでいます。これらの他の検出器 (検出器材料としてゲルマニウムを使用するものもあれば、LUX のように液体キセノンを使用するものもあります) は、WIMP に見せかける可能性のある他の宇宙粒子から保護するために、古い鉱山や下水道、または山の下に埋設されています。

ほとんどの WIMPS は検出媒体をすり抜けるが、シャット氏とアケリブ氏は、年間約 3 ～ 4 個が LUX のタンク内にある 1.6 オクティリオン (10 兆の兆の兆) 個のキセノン原子の 1 つの核に衝突し、その際に 2 回の微小な閃光が発生すると理論づけている。これは暗黒物質が存在するという最初の直接的な証拠となる。

丸一日かけて持ち上げたり、締めたり、調整したりしても、缶はまだ入らない。そこでシャットは私に、彼と彼の生徒の一人を近くのデッドウッドにある金物店まで車で送ってもらうよう頼んだ。デッドウッドは、有名な西部開拓時代の保安官ビル・ヒコックが最後の運命のカードを切った町だ。現在の計画は、缶の底近くにある、ほとんど目に見えない内側の溶接継ぎ目をやすりで削ることだ。科学者たちは、それが骨に引っかかっていると考えている。そのためには、シャットはドレメルの回転工具と、先端がダイヤモンドのビットをいくつか必要とする。宇宙の真の性質を解明するための300万ドルの検出器が、80ドルの電動工具がないため保留になっているという事実にも、シャットは動じていないようだ。

継ぎ目をやすりで削るのは、普通なら簡単な作業だ。だが、缶はチタン製で、非常に硬い。研究所はまだ開設から6か月しか経っておらず、敷地内に機械工場も、多くの工具もまだない。シャットがなじみのない工場に缶を委託すれば、金属のやすりがけによる低レベルの放射能にLUXがさらされる危険がある。金属のやすりがけは、将来的にほこりのようにWIMPの信号を覆い隠す可能性がある。ナットやボルトは、できる限り放射線を含まないようにしなければならないので、ナットやボルトが触れる材料や訪れる場所は、すべて入念に検査しなければならない。チームは朝一番でクリーンルームで継ぎ目を研磨する。

金物店の明るい通路には、住宅用塗料や自動車部品が並んでいるほか、地元ではバイクで旅行する人が多いことから、カラミンとコーンスターチを混ぜたサドルの痛み止め「アンチ モンキー バット」も販売されている。シャットは作業着姿の女性にドレメルがどこにあるか尋ね、私たちはまっすぐ中央の通路に向かった。そこでは、何百もの小さなプラスチックの箱に入ったビットが載ったペグボードの下の棚に、12 個のドレメルがあった。シャットはたくさんのパッケージを手にとって、放射能を放出しないダイヤモンドのラベルをスキャンし、生徒にも同じことをするように指示した。彼によると、過去数年間で、精密洗浄されたビット、ターボポンプ、1 万ドル相当の軌道溶接継手など、eBay で部品を購入するのに 6 万ドル以上を費やしたという。アケリブの推定では、チームはマクマスター カーの注文も何百個も行っているという。

我々が捜索を続けていると、まだら模様の赤いあごひげを生やした、眼鏡をかけた若い店員が近づいてきて、手伝おうとした。私は物理学者と地元の人々の交流を直接観察できる瞬間を待ち望んでいた。科学者たちが私に語ってくれた話には共通のテーマがあった。その地域に住む人々は、自分たちの町の周囲（そして地下）で行われている大規模な物理学プロジェクトを愛しているのだ。彼らはバー、食料品店、ガソリンスタンド、YMCAのサウナで物理学者に近づき、支援を表明する。シャットとプロジェクトの共同創設者であるブラウン大学のリック・ゲイツケルによる暗黒物質に関する講演には100人以上が集まり、その後、聴衆は2人に続いて地元のバーに行き、さらに話を聞いた。町のビジターセンターでは、研究所のロゴと「オタクがWIMPを探す」という言葉が入ったTシャツを販売している。

「このドレメルのパッケージには、さまざまなアクセサリが入っています」と店員は棚から箱を取り出しながら言った。「アクセサリは必要ありません」とシャットは個々のビットの入ったプラスチックの箱をかきわけながら言った。「一番強力なモーターが必要です」。彼らはもう少し議論した。さまざまなビットが入ったものはどうですか？いいえ、ダイヤモンドが必要です。このダイヤモンドビットはどうですか？いいえ、大きさが足りません。これならいいですか？いいえ。ついに店員は私のほうを向いて、どこから来たのか尋ねた。私は、シャットはサンフォード研究室で働いており、検出器用のツールを入手していると答えた。店員はうなずき、増え続けるビットの山を見た。そして尋ねた。「それで、どうですか？」

Lux Team の競合相手は、プロジェクトで先行している場合もあるが、自分たちの問題にも取り組んでいる。プロジェクトの 1 つである Cryogenic Dark Matter Search II は、ミネソタ州の古い鉄鉱山で行われている。2009 年 12 月、物理学者たちは 2 つの WIMP 信号を検出したと考え、話題になった。どちらも誤報であることが判明したが、彼らは SuperCDMS と呼ばれるより大きな検出器で再度試みるつもりだ。もう 1 つの有力候補である Xenon100 は、イタリア中部のグランサッソ山の地下に隠されており、すでに稼働している。名前が示すように、Xenon100 は LUX に似た技術を使用している。しかし、Xenon100 の検出器タンクは LUX のものよりはるかに小さく、感度も低い。これまでのところ、何も検出されていない。

研究者たちは、WIMP を見つけるために間接的な方法も使っている。場合によっては、直接暗黒物質を探すのではなく、地球や宇宙にある望遠鏡を使って、2 つの WIMP が接触して消滅したときに生じると予想される奇妙な粒子を探している (この現象は粒子理論によって裏付けられている)。一方、スイスの大型ハドロン衝突型加速器の物理学者たちは、陽子同士を衝突させることで、ゼロから独自の WIMP を作ろうとしている。合成 WIMP があれば、物理学者たちは検出器を再調整して、正しいエネルギー範囲の自然粒子を探すことができるようになるが、今のところ科学者たちはそれを作ることができていない。

こうした取り組みはどれも費用がかかるため、暗黒物質の探索は、それが行われている町々で一種のブームを巻き起こしている。たとえばリードでは、サンフォード研究所が地元の不動産市場にまれに見る上昇をもたらし、地元の商店やレストランの売り上げを増やし、坑道の保守作業員から地質学者、人事マネージャーまで、何百人もの地元の人々を雇用している。そして、この研究所は、連邦政府から8億7500万ドル以上を受け取ると予想され、すでに州から4730万ドル、民間からの寄付金7000万ドルを集めている、より大規模なDUSELプロジェクトの第1段階にすぎない。その資金は、ホームステイクの370マイルのトンネルと186エーカーの地上の土地をDUSEL複合施設に変える資金となる。DUSEL複合施設は、すでに計画されているLUXの後継施設を含む物理学研究所で、キセノンタンクがはるかに大きくなり、WIMPを捕獲できる可能性が高まる。

先代のホームステイク鉱山会社と同様、DUSEL はリード市を企業城下町にしようとしている。ホームステイクは単なる雇用主ではなく、コミュニティの生活のほぼすべての側面に影響を与えた。「リード市が必要とするものがあれば、ホームステイクがそれを築きました」と、祖父、父、兄弟全員が鉱山で働いていたトム・ネルソン市長は言う。「彼らは水道システムを作り、電力を引き込み、鉄道、病院、レクリエーション センター、社有店舗、銀行も作りました。すべてが会社でした。」サンフォード研究所と、保留中の DUSEL プロジェクトは、リード市の地域医療クリニックや銀行を運営することはないかもしれないが、資金と雇用をもたらすだろう。慈善家で研究所の名前の由来となった T. デニー・サンフォードは、7,000 万ドルの寄付のうち 2,000 万ドルを科学教育センターのために確保した。そこでは、DUSEL の研究者が講義を行い、学生が地下物理学を実際に体験する。プロジェクトの年間運営予算は 2,300 万ドルで、その半分以上が地元のサプライヤーや請負業者とともに地元で使われている。そして、約70人の元鉱山従業員が現在、鉱山を研究所に転換するために設立されたサウスダコタ科学技術局で働いている。

リード以外にも、プロジェクトの成功を応援している、もっと大きなコミュニティがある。素粒子物理学と天体物理学のコミュニティ全体だ。WIMPがなければ、物理学の標準モデル（既知のすべての素粒子の相互作用を支配する理論）は弱まり、科学者は素粒子物理学についての仮定を再考しなければならない。そして、暗黒物質が存在するという確固たる証拠がなければ、宇宙の構成に関する私たちの基本的な理解が崩れる。「暗黒物質がWIMPでできていないと判明した場合、人類が暗黒物質が何なのかわからないという点で、個人的な意味よりも哲学的な意味ではるかに残念なことになるでしょう」とシャット氏は言う。「私たちは、自分たちで見つけられないかもしれないと覚悟しています。しかし、コミュニティとして見つけられなければ、それはひどく残念なことです。」

また丸一日が過ぎたが、缶はまだ入らない。しかし今回は、私は窓の反対側にいて、借りたクリーンルーム用の衣装を着ている。シャットと私は穴を覗き込んでいる。缶は横向きになっていて、片方の端からはタイベックで覆われた脚が2本突き出ている。まるで巨大な金属製のパーティーハットをかぶった誰かが腹ばいになって倒れたかのようだ。新しいドレメルがキーキーと音を立て、そして研削が止まる。耳鳴りがする。脚が外側に揺れ、それがテキサスA&M大学の別のLUX研究者、ジェームズ・ホワイトにつながれていることがわかった。彼は私を見上げて「手伝いに来ないか？」と言う。

こんな仕事に就くとは思ってもいなかった。梯子を降りてピットへ行き、ホワイトがドレメルを手渡してくれた。彼は缶の上部に近い継ぎ目で実演してくれた。私が取り組むべき部分はさらに奥の底近くで、そこにはドレメルが1本入るだけのスペースしかない。窮屈だ。私は肘と膝をついて体を折り曲げているが、その姿勢を長く保てない。大学院生が缶の底のフランジから明るいライトを照らし、時折私の写真を撮ってくれる。私は手袋をした指で、外れた継ぎ目をなぞる。こんな小さなものがこれほど多くの問題を引き起こすとは信じがたい。ドレメルのビットをしっかりと押し当てる。削り始めると火花が散る。耳をつんざくような音だ。

私のドレメル工具が事態を救い、その後すぐに缶を持ち上げることに成功したと伝えたいのですが、そうはなりませんでした。何時間も研磨し、80ドルのドレメルモーターが焼き切れた後も、缶は収まりませんでした。結局、LUXチームは缶キャンペーンの完了にさらに2週間を費やしました。9月に物理学者と話した際に、成功の鍵は骨組みの銅片をいくつか削ったことだったことを知りました。銅はチタンよりもはるかに研磨しやすいのです。私の訪問からそれまでの間に、チームは少なくとも5つの同様に小さいながらもミッションを危うくする課題に直面していました。その中には、ボルトが固着したケース（徹底的な洗浄の結果、フランジのねじ山とそれにねじ込むロッドが汚れきってしまい、分子レベルで結合してしまった）があり、緊急に潤滑剤と弓のこを探す必要がありました。

現在、LUX は 95% 完成している。チームは、キセノンを充填した検出器を研究室の 2 階下にある 66,000 ガロンのタンクに降ろし、動作を確認する最初のテスト走行の準備を進めている。次に、今年後半に、LUX を地下 4,850 フィートに設置する作業を開始する。そして、物理学者とリードの住民は、長年にわたり多くの宝物を生み出してきたこの巨大な穴が、今後も経済的な安定をもたらしてくれることを、そしておそらく宇宙を理解するための秘密をもたらしてくれることを、共に願っている。

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