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地球の中心でダークマターを探す

私のような物理学者は、宇宙の物質の約83%を占める “ダークマター(暗黒物質 )“が何なのか完全には理解していない。しかし、サウスダコタ州の地下1マイル近くに埋められたキセノンの詰まったタンクを使えば、ダークマターの正体を測定できる日が来るかもしれない。

典型的なモデルでは、ダークマターは宇宙の引力の大部分を占め、我々の天の川銀河を含む銀河のような構造が形成されるための接着剤となっている。太陽系が天の川銀河の中心を回るとき、地球はダークマターハローの中を移動する。

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天の川の渦巻き円盤を囲むダークマターハローの想像図。 (Credit: NASA/ESA/A Feild STSci, CC BY)

私はダークマターの性質を理解することに興味を持つ物理学者だ。よく知られている推測のひとつは、ダークマターとは新しいタイプの粒子、「弱く相互作用する質量の粒子(Weakly Interacting Massive Particle、WIMP)」であるというものだ。「WIMP」はこの粒子の本質をうまくとらえている。つまり、質量があり、重力的に相互作用するが、そうでなければ通常の物質とは非常に弱く、あるいはほとんど相互作用しない。天の川銀河に存在するWIMPは、理論的には常に私たち地球を飛び交っているが、相互作用が弱いため、何にもぶつからない。

WIMPの探索

過去30年以上にわたって、科学者たちはWIMPと通常の原子との間の稀な相互作用を検出しようとする実験プログラムを開発してきた。しかし、地球上では、環境中の微量元素(主にウランとトリウム)や宇宙からの宇宙線から来る、低レベルで危険のない放射能に常に囲まれている。ダークマター探索の目標は、ダークマターを見ることができるように、できるだけ感度の高い検出器を作ること、そして暗黒物質の信号が背景の放射能を越えて見えるように、できるだけ静かな場所に設置することである。

LUX-ZEPLIN(LZ)共同研究チームは、サウスダコタ州リードのサンフォード地下研究施設の地下4,850フィート(1,478メートル)に、これまでで最大の暗黒物質検出器を建設し、運用してきた。

LZの中心には10トン(1万キログラム)の液体キセノンが置かれている。粒子が検出器を通過する際、キセノン原子と衝突し、閃光と電子の放出が起こる可能性がある。

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粒子はLZ内でキセノンと相互作用し、光を放出して上下にある2つの光センサーアレイで検出される。 (Credit: SLAC/LZ, CC BY)

LZでは、2つの巨大な電気グリッドが液体の体積全体に電界をかけ、放出された電子を液体の表面に押し出す。液面を突破した電子は、キセノンガスで満たされた液面上の空間に引き込まれ、別の電場によって加速され、2回目の閃光を発生させる。光センサーの2つの大きなアレイがこの2つの閃光を収集し、それらを組み合わせることで、研究者は起こった相互作用の位置、エネルギー、種類を再構築することができる。

放射能の低減

WIMP検出器の建設に使われたものを含め、地球上のすべての物質は、暗黒物質の相互作用を覆い隠す可能性のある放射線を発している。そのため科学者たちは、検出器の内部も外部も、できる限り「放射能汚染のない」物質を用いてダークマター検出器を作る。

例えば、LZは金属鋳造工場と協力することで、液体キセノンを入れる中央のシリンダー(クライオスタット)を作るのに、地球上で最もクリーンなチタンを使うことができた。この特別なチタンを使用することで、LZの放射能を減らし、ダークマターの相互作用を見るためのクリアな空間を作り出した。さらに、液体キセノンは非常に密度が高いため、実際に放射線の遮蔽体として機能し、忍び込む可能性のある放射性汚染物質を浄化することも容易である。

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LZの内部検出器では、上下にある2つの受光アレイが、液体キセノンで満たされる中央の円筒を見る。(Credit: Matt Kapust, SURF, CC BY)

LZでは、中央のキセノン検出器は、キセノン・スキンと外側検出器と呼ばれる2つの検出器の中にある。これらの支持層は、中央のキセノンチャンバーに出入りする放射能をキャッチする。ダークマターの相互作用は非常に稀であるため、ダークマター粒子は装置全体で1回しか相互作用しない。したがって、キセノンや外側検出器で複数の相互作用を伴う事象が観測された場合、それはWIMPによるものではないと考えることができる。

中央検出器、クライオスタット、外側検出器を含むこれらの物体はすべて、地下1マイル近くの大きな水槽の中にある。水槽は検出器を洞窟から遮蔽し、地下の環境は水槽を宇宙線、つまり地球の大気に常に衝突している荷電粒子から遮蔽している。

狩りは続く

今回発表された結果では、60日分のデータを使って、LZは検出器に1日あたり約5事象を記録した。これは、地表の一般的な粒子検出器が1日に記録する事象よりも1兆個ほど少ない。これらの事象の特徴を見ることで、研究者たちはこれまでのところ、ダークマターによる相互作用は起きていないと断言できる。この結果は、残念ながら新しい物理学の発見ではない。しかし、ダークマターがLZによって見えないままであるため、ダークマターがどの程度弱く相互作用しなければならないかについて、正確に制限を設けることができる。

この限界は、ダークマターが何でないかを物理学者に教えるのに役立つ。一方、ダークマターの探索には次の希望がある。LZは現在さらに多くのデータを収集しており、今後数年間で15倍以上のデータを収集する予定である。WIMP相互作用はすでにそのデータセットの中にあり、次の分析で明らかになるのを待っているのかもしれない。


本記事は、Hugh Lippincott氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Researchers dig deep underground in hopes of finally observing dark matter」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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