何もないどころか、暗黒物質探求が悲惨な「ニュートリノ霧」に迫る

8月28日、シカゴとサンパウロの会議で実験に参加した2人のメンバーが発表する予定だった。

彼らは、米国サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設で地表から1.5キロメートル下に位置するラックス・ツェプリン（LZ）実験の設計、建設、運営に携わる約200人の同僚を代表していた。彼らのニュースは、彼らの科学者グループが、暗黒物質を構成する粒子の正体について、これまでで最も厳しい制限を設けたことだった。

これはヌル結果でした。粒子のアイデンティティが何であるかについては述べられていませんでしたが、粒子がどのようなアイデンティティを持つことができないかを示唆していました。そして、それは物理学コミュニティの失望を引き起こすことはありませんでした。むしろそれが辞任を促した。

イタリアの XENON-nT、中国の PandaX-4T、その他世界中の数十の実験など、LZ と同様の実験は、英雄的な努力にもかかわらず、何十年もの間、何も起こらずに終わっています。

暗黒物質とその握手

暗黒物質は宇宙の質量の大部分を構成する目に見えない物質であり、宇宙に現在の外観を与える役割を果たしています。星、ガス、惑星は宇宙の質量に占める割合はわずか 15% です。

暗黒物質を構成する最も単純な候補は、これまで知られていなかったタイプの粒子であり、光子と相互作用せず、少なくとも宇宙の年齢である約140億年の間、つまりほとんどの粒子とは異なり崩壊することなく生き続ける。 。

これは疑問を引き起こします:暗黒物質が私たちに触れることはあるのでしょうか?より正確に言えば、原子核と電子は接近したときに暗黒物質の粒子を散乱させることができるのでしょうか？

暗黒物質に関するいくつかの理論は、目に見えるものと見えないものの間のこのハンドシェイクを実際に予測しています。問題はそれをどうやって検出するかです。

風を掴むための帆

1985 年、物理学者のマーク グッドマンとエド ウィッテンは新しい戦略を提案し、それ以来、実験物理学のサブ分野全体に急速に浸透しました。 (これは弦理論で有名なウィッテンと同じです。このようにして、最も理論的な物理学者が実験産業を生み出し、物理学における分割の不自然性を証明しました。地下実験室で暗黒物質が発見されれば、ウィッテンに賞が与えられるというのは皮肉なことです。彼が最も時間を費やしていないことにノーベル賞が与えられる。)

私たちは皆、天の川銀河のパンケーキの形をよく知っています。この星の円盤は、直径約 10 万光年の暗黒物質の球の中に埋め込まれています。太陽系では、小さじ一杯の空間に約陽子 2 個分の重さの暗黒粒子が含まれています。これらの粒子は、光の千分の一の速度であらゆる方向から風として私たちに吹き込みます。

グッドマンとウィッテン（GW）のアイデアは、宇宙からの他の放射線を防ぐために地中深くに置かれた金属の塊である「帆」でこの風を捉えることでした。金属内の原子核が自然に反動するのが観察された場合、それは暗黒物質の目に見えない隆起に違いありません。

アーネスト・ラザフォードの金箔の実験では、彼のチームはよく理解された光線を謎の標的に照射しました。 GW のアイデアはその逆で、見慣れた標的に謎のビームを照射するというものでした。実験の目的は、暗黒粒子の未知の質量と、原子核が暗黒物質粒子を散乱させる未知の速度という 2 つの量を測定することです。物理学者は、断面積と呼ばれる変数を使用してこの速度を追跡します。

真空中、ガラス中、岩石中の光の通過を考えてみましょう。最初のケースでは、光子は妨げられずに移動します。 2番目では、原子によって散乱される前にかなりの距離を移動します。そして3番目ではすぐに停止します。次に、これら 3 つの場合について、それぞれ散乱断面積がゼロ、小さい、および巨大であると言います。

透明性は光のみに適用される必要はありません。あらゆる媒体は、あらゆる種類の粒子に対して定量的に透明または不透明にすることができます。 GWの提案では、原子核上に散乱する暗黒物質の断面積を10まで測定する予定だった。^-38 cm²、すでに驚くほど少量です。それは、暗黒物質が停止するまでに、100億キロメートルの岩石を横切る必要があることを意味します。

「ニュートリノの霧」

暗黒物質に対するこうしたネズミ捕りは、以来大きな進歩を遂げています。 GWが1日1キログラムの金属の使用を提案したが、現在科学者たちは数トンの液体キセノンとアルゴンを暗黒物質風に何年もさらしている。より大きくしてより長く走らせることの利点は、より幽霊の多い、すなわちより小さな断面積を有する暗黒物質を捕捉できることである。その結果、我々は今、暗黒物質と原子核の断面積が 10 個である可能性を排除したと真顔で言えるようになりました。^-44 cm²、GW 制限の 100 万分の 1 です。

これは LZ が 8 月に発表したばかりです。

検出器をさらに大きくして、任意に小さな断面を調査できるでしょうか?完全ではありません。重量が数十トンから数百トンになる将来の検出器は、他の幽霊のような粒子、特に太陽の内部や地球の大気中で生成されるニュートリノの散乱からのはるかに多くのノイズも記録するでしょう。実際、PandaX-4T と XENONnT はすでにこの問題を報告しています。 LZの発表後の辞任は、部分的にはこの理由によるものである。科学者たちは、この「ニュートリノの霧」に直面する前に、暗黒物質の正体を明らかにしたいと考えていたのだ。今後の探索において暗黒物質とニュートリノ信号を区別することは、多くの研究を推進する課題です。

最後の一滴まで

科学者たちは他の研究分野にも積極的に取り組んでいます。 1 つは、原子核よりも軽い暗い粒子を検出することです。これは、これらの粒子はターゲットの核から弱く散乱するためです。

虫がトラックにぶつかって、車がほとんど動かないところを想像してみてください。目標は、わずかなエネルギー伝達を感知する技術を開発することであり、これには現在凝縮物質物理学の領域に限定されている特殊な材料を使用して検出器を構築することが含まれます。

したがって、カリュドニアのイノシシのような暗黒物質の狩猟には、多くの才能が結集します。それは驚くべきことではありません。自然界を解読する取り組みには、常に人間の創意工夫の最後の一滴がすべて注ぎ込まれてきました。

Nirmal Raj は、バンガロールにあるインド科学大学高エネルギー物理学センターの理論物理学の助教授です。