世界中に点在する約 20 の地下研究所で、科学者は液体の容器や金属や半導体のブロックを使用して暗黒物質の証拠を探しています。彼らの実験はますます複雑になり、捜索はより正確になっていますが、イタリアの研究所から発信された非常に論争の多い信号を除けば、物質の 84% を占めると考えられている謎の物質の直接的な証拠を誰も発見していません。
新しい研究は、より深く調べる必要があることを示唆しています.
暗黒物質は、通常のバリオン物質 (恒星、銀河、犬、人間、その他すべてを構成する物質) とは異なり、重力 (およびおそらく弱い核力) を介して以外は何とも相互作用しないという点で異なります。私たちはそれを見ることはできませんが、物理学者はそれがそこにあり、銀河と宇宙を通る道を彫刻していることをほぼ確信しています.
何十年もの間、暗黒物質粒子の有力な候補は、弱く相互作用する大質量粒子、または WIMP と呼ばれる、架空のシャイなものでした。多くの実験では、WIMP がやって来て、通常の物質をノックアウトしたという証拠を探すことで、それらを探します。このシナリオでは、WIMP は弱い力を介して原子核をタップします。驚いた核は反動し、閃光や音波などの何らかの形のエネルギーを放出します。このようなかろうじて知覚できる現象を検出するには、通常は地下深くに埋められた高感度の機器が必要です。これは主に、原子核の反動を引き起こす可能性のあるわがままな宇宙線から機器を保護するためです。
何十年もの間、これらのかすかな信号を探した後、科学者はそれを示す確固たる証拠をほとんど持っていません.現在、ポーランド、スウェーデン、米国の物理学者チームが別のアイデアを持っています。地球の地殻の下に埋められた検出器のゲルマニウムとキセノンとシンチレーターに目を向けないでください、彼らは主張します:惑星の地殻自体に目を向けてください。私たちの太陽系の過去の物語が埋もれている岩石の記録では、びっくりした原子核の化石化した反動、WIMPの凍った足跡を見つけるかもしれません.
ミシガン大学の理論物理学者であり、運用中の既存の検出器の背後にあるアイデアのアーキテクトであるキャサリン・フリースは、「私たちは常に、物事を行う別の方法を求めています」と述べています。
フリースと彼女の同僚によると、地下の古探知機は、現在の直接探知方法と同様の方法で機能します。 WIMP の反動をリアルタイムで観察するために大量の液体や金属を実験室に用意する代わりに、彼らは WIMP が原子核に衝突した痕跡の化石を探しました。原子核が反動すると、一部のクラスの鉱物に損傷の痕跡が残ります。
原子核が十分な勢いで反動し、摂動された原子が地球の奥深くに埋もれている場合 (データを濁らせる宇宙線からサンプルを保護するため)、反動の軌跡を保存することができます。もしそうなら、研究者は岩を掘り起こし、時間の層を剥がし、原子間力顕微鏡のような洗練されたナノイメージング技術を使って昔の出来事を探ることができるかもしれません。最終的な結果は、化石の痕跡になります。これは、捕食者から逃げる竜脚類の足跡を見つけることに相当する暗黒物質です。
小さなタップ
約 5 年前、Freese は、生物物理学に転向する前に暗黒物質検出の研究を始めた現在ストックホルム大学の物理学者である Andrzej Drukier と共に、新しい検出器タイプのアイデアを出し合い始めました。彼らのアイデアの 1 つは、生物学者のジョージ チャーチと共に考案されたもので、DNA と酵素反応に基づく暗黒物質検出器が含まれていました。
2015 年、Drukier はロシアのノボシビルスクを訪れ、地表下に設置する生物学的検出器のプロトタイプを作成しました。ロシアで、彼は冷戦中に掘削された掘削孔のことを知りました。宇宙線はそこまで到達できません。 Drukier は興味をそそられました。
典型的な暗黒物質検出器は比較的大きく、突然の出来事に対して非常に敏感です。彼らは数年にわたって検索を行っていますが、ほとんどの場合、リアルタイムの WIMP タップを探しています。鉱物は比較的小さく、WIMP 相互作用の影響を受けにくいものの、何億年も続く探索を表している可能性があります。
「非常に深い核から取り出されたこれらの岩石の塊は、実際には 10 億年前のものです」と Drukier 氏は述べています。 「奥に行けば行くほど古い。したがって、突然、検出器を構築する必要はありません。地面に探知機があります。」
地球はそれ自身の問題を提起します。惑星は放射性ウランでいっぱいで、崩壊するときに中性子を生成します。これらの中性子は、原子核をノックアウトすることもできます。フリース氏は、古探知機について説明したチームの最初の論文は、ウラン崩壊によるノイズを説明していなかったが、他の関心のある科学者からの多数のコメントにより、彼らは戻って修正したと述べた。チームは、何千もの鉱物を研究して、どの鉱物がウラン崩壊から分離されているかを理解するために 2 か月を費やしました。彼らは、最良の古探知器は海洋蒸発岩（基本的には岩塩）、または超塩基性岩石と呼ばれるシリカをほとんど含まない岩石で構成されると主張している.さらに、水素はウラン崩壊から発生する中性子を効果的にブロックするため、水素を多く含む鉱物を探します。
マサチューセッツ工科大学の理論物理学者で、この研究には関与していない Tracy Slatyer 氏は、化石の反動を探すことは、低質量の WIMP を探す良い方法かもしれないと述べています。
「一見何の理由もなく飛び跳ねる原子核を探していますが、それを見るには、ある程度飛び跳ねなければなりません。ピンポン ボールをボウリング ボールから跳ね返らせた場合、ボウリング ボールの動きはあまり見られません。または、ボウリング ボールの動きのかなり小さな変化を検出できるはずです」と彼女は言いました。 . 「これはそれを行うための新しい方法です。」
最も難しい実験
関連するフィールドワークは簡単ではありません。研究は、コアサンプルが宇宙や太陽の放射線から保護される地下深くで行われなければなりません。また、核のナッジングの証拠を解明するには、最先端のナノイメージングが必要です。
たとえWIMPが観察可能な傷跡を残したとしても、古探知機にとっての主な懸念は、化石の痕跡が本当に暗黒物質の粒子から来ていることを確認することになるだろう.研究者は、反動が中性子、太陽からのニュートリノ、または他の何かの働きではないことを自分自身に納得させるために、多くの時間を費やさなければならない.
「彼らは、宇宙線から遮蔽するためにかなり深くまで行くことができるという良い例を作っています」と彼女は言いました、「しかし、これは制御されたシステムではありません.これはラボではありません。これらの岩石堆積物の歴史をよく知らないかもしれません。そこからシグナルを受け取ったと主張したとしても、何らかの背景が見えていないことを本当に確信するには、さらに多くの作業を行う必要があります。」
Drukier と Freese はどちらも、古探知機の強みは数にあるかもしれないと述べています。岩石には多数の鉱物が含まれており、それぞれに原子核があり、略奪する WIMP からさまざまな方法で反動します。したがって、さまざまな要素がさまざまな検出器として機能し、すべてが 1 つのコア サンプルにまとめられます。これにより、実験者はさまざまな反動を観察し、証拠を裏付けることができ、WIMP の質量について結論を導き出せる可能性があると Freese 氏は述べています。将来的には、古生物学者が地球上の生命の歴史を化石記録によって再構築できるように、古探知機は時間をかけて WIMP の記録を提供することさえできるかもしれません。
Slatyer 氏にとって、この長い記録は、天の川銀河のダークマター ハロー (太陽系が銀河の中心の周りを 2 億 5000 万年かけて周回する際に地球が通過する目に見えない物質の雲) のユニークなプローブを提供する可能性があります。 Slatyer 氏は、天の川銀河のダークマター ハローがどのように分布しているかを理解することで、その物理的挙動に関する洞察が得られる可能性があると述べています。暗黒物質が重力を超えた方法で相互作用するかどうかを示すことさえできます.
「これは、理論とモデリングがまだ非常に活発に開発されている場所です」と彼女は言いました。
しかし、それはまだ現実とはかけ離れています。 Freese と Drukier は、原理を証明する古検出器は、太陽ニュートリノなどの既知の粒子が残した反動の軌跡を検出できることを最初に実証する必要があると述べています。次に、WIMP の痕跡をこれらの通常の反動から分離できることを証明する必要があります。
「これは視点の大きな変化です」と Drukier 氏は言います。 「暗黒物質は見つかるでしょうか？ 35年かけて探しました。これはおそらく世界で最も難しい実験なので、運が悪いかもしれません。でもかっこいいです。」
この記事はに転載されました Wired.com .
