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彼らが探しているものをまだ見つけていない7つの主要な実験

実験科学者であることは、報われない仕事のように思えることがあります。あなたは、最終的に素晴らしい発見をする実験についての見出しを読むことに慣れているかもしれませんが、彼らが試みたものをまだ発見したり観察したりしていない実験家の(しばしば英雄的な)努力についてはあまり聞かれません.

これらの取り組みの一部は、何十年にもわたって、何世代にもわたる人材と専門知識にまたがっています。ただし、結果が得られないことは、多くの場合、一般的な発見と同じくらい科学的に意味があります。私たちは、自然界にないもの、または持っていないものについてより多くを学びます.しかし、これらのいずれかから肯定的な信号を得ることは、宇宙の理解、または宇宙における私たちの位置に大きな影響を与えるでしょう.

以下は、探しているものをまだ見つけていない進行中の 7 つの実験のリストです。それらのすべては、その創意工夫と野心で注目に値します。これらの実験を続けるための忍耐力がどこから来るのも不思議ではありません。

暗黒物質に光を当てるには、液体キセノンのタンクを地下に埋めます

科学者たちは、暗黒物質のフィラメントが、私たちが見ることができるすべての銀河がくっついている足場を形成していると理論付けています.そして、各銀河を取り囲んでいるのは暗黒物質のハローであり、星が銀河のコアの周りをどのように回転するかを説明するために必要な追加の重力を提供します.しかし、暗黒物質はまだ直接検出されていません。過去数十年間、通常の物質とのおそらく非常に弱い相互作用を通じて暗黒物質を検出しようとする試みが数多く見られましたが、すべてが空っぽでした.

暗黒物質が取り得るさまざまな形態の中で、いわゆる弱相互作用質量粒子 (WIMP) は、素粒子物理学者にとってより説得力のある可能性の 1 つです。サウスダコタ州の旧鉱山の地下約 1 マイルにある LUX 実験は、とりわけ、WIMP の検出に失敗する基準を高く設定するのに役立ちました。不要な宇宙線を除去するために 72,000 トンの高純度水で満たされたタンクに入れられた LUX は、1 トンの液体キセノンの約 3 分の 1 で構成されており、暗黒物質が単一のキセノンと衝突したときに放出される光を検出するのに十分な感度を持つ検出器に囲まれています。原子。

LUX が暗黒物質の痕跡を検出できなかったことは、LUX-Zeplin のアップグレード (LUX の約 20 倍の量の液体キセノンを含む実験) に拍車をかけました。アップグレードされた実験が、LUX が成功しなかった場所で成功を収めるかどうかはまだわかりません。自然は、科学者の希望や期待をからかう傾向があるようです.

ビッグバンの残りの重力波を(実際に)見るには、さまざまな周波数を見てください

ビッグバンの時代からの重力波 (電磁放射、または光の重力類似体) は、宇宙マイクロ波背景放射に独特の痕跡を残したでしょう。これは、観測可能な宇宙を開始した爆発から残った遺物放射です。あらゆる方向に。温度と分極のわずかな変動を示しており、中性水素が最初に形成されたまさにそのエポック (宇宙が 379,000 歳のとき) における重力場のスナップショットを提供してくれます。このトレースは、技術的には「Bモード」として知られている偏光の回転パターンの形で現れます。

BICEP と Keck のコラボレーションが 2014 年にそのような B モードの検出を発表することによって生み出された興奮にもかかわらず、その起源はかなりありふれたものであることが判明しました。原始重力波のように見えたものは、実際には高い銀河緯度にある分極ダスト粒子であり、十分な量が存在する場合、重力波と同じ B モード分極の回転パターンを模倣することができます。

思いとどまらず、BICEP コラボレーションは BICEP3 構成にアップグレードされました。これは、以前の化身よりもはるかに低い周波数で宇宙マイクロ波背景放射を観測するように設計された約 2,500 の検出器 (いわゆるボロメーター) のアレイで構成されています。さまざまなバージョンの BICEP 望遠鏡での 10 年に及ぶ観測では、原始重力波からの B モードの肯定的な検出はまだ得られていませんが、検索はすぐに停止することはありません。最初に検出するための競争は、熱くなり始めたところです。

強い核力と電弱力が結合しているかどうかを確認するには、光の「ソニック ブーム」を探します

素粒子物理学の標準モデルは、量子力学の発祥から、弱い核力 (特定のタイプの放射性崩壊の原因となる力) と電磁気学は粒子の異なる側面であるという提案まで、数十年にわたる理論と実験の相互作用の集大成です。単一の統一された「電弱」の力。電磁力と弱い核力は、私たちがよく知っている典型的な実験室での実験の規模でのみ、私たちには明確に見えます。これは、相互作用する粒子に質量を与えるヒッグス場が、これら 2 つの力を支配する基本的な対称性を隠しているためです。

標準モデル内には、強力な核力という別の力があり、CERN で到達できるエネルギーの約 1 兆倍のエネルギーで電弱力と統合されると予想されます。このプロセスは、大統一として知られています。大統一理論の予測の 1 つは、陽子が安定した粒子ではなくなり、パイ中間子や陽電子などの他の粒子に崩壊する可能性があるというものです。一部のモデルでは宇宙の年齢。

スーパーカミオカンデとそのアップグレード計画であるハイパーカミオカンデは、日本の中部にある神岡研究所の山の下 1 キロメートルに位置し、(とりわけ)そのような非常にまれな陽子崩壊の証拠となる特徴を探す任務を負っています。超純水の巨大なタンク。スーパーカミオカンデは、チェレンコフ放射として知られるかすかな光の閃光 (ソニック ブームの光学的等価物) をスキャンすることによって、陽子が崩壊して非常にエネルギーの高い粒子を探します。

これまでのところ、何もありません。しかし、ハイパーカミオカンデは、前任者に比べて 10 倍の感度向上を目指しており、2020 年までに観測を開始する必要があります。

超対称性をテストするには、中性子を調べます

素粒子物理学の標準モデルでは、中性子 (陽子と共にすべての原子核を構成する) は非常に小さい電気双極子モーメント (EDM)、つまり 2 つの反対の電荷を分離する一定の距離を持つと予測されています。その小ささが検出されなかった理由と考えられます。しかし、標準モデルを超対称性 (力と物質の間の仮説上の同等性) で拡張する理論は、一般的に、標準モデルの予測よりも 100,000 倍の大きさの EDM を予測します。

中性子 EDM の大きさに制限を設けることで、超対称性が自然界に存在するかどうかを、粒子加速器実験で達成できるよりも厳密な方法でテストできます。フランスのグルノーブルにあるラウエ・ランジュバン研究所の CryoEDM は、そのような実験の 1 つです。超低速中性子のスピンが磁場と電場の存在下でどのように「歳差運動」するか、つまりその回転軸の向きを変えるかを観察することにより、中性子 EDM が存在する場合、その正確な測定を行うことができます。中性子にEDMがある場合、歳差運動率は異なります。

CryoEDM が完全な設計感度に達するまでには、超対称性の存在をほぼ排除する立場にあるでしょう。一方、標準モデルだけで暗示される値は、現在の実験感度では検出できないほど微弱であるため、観察された EDM は、超対称性が実際に自然界で実現されているという興味をそそる証拠となるでしょう。

余分な次元を見つけるには、重力をクローズアップしてください

余分な次元が存在する場合、重力が非常に短い距離で作用する方法を変更できます。それらは、通常のニュートン重力の逆二乗法則からの逸脱を意味するだけでなく、いわゆる等価原理に違反する新しい短距離重力力の存在も意味します。等価原理は、すべての物質 (キャノン ボール、リンゴ) が特定の重力場に同じように落下することを示しています。余分な次元がこの余分な荷物をすべて伴う理由は、余分な次元自体のサイズを制御するフィールドが重力を模倣するためですが、それは非常に短い距離でのみであり、さまざまな種類の物質に対して異なる方法で行われます.

アインシュタインの一般相対性理論は、太陽系から宇宙規模まで徹底的にテストされてきましたが、研究者がサブミリスケールで体系的にテストを開始したのはつい最近のことです。

正確に校正されたねじり天秤を使用して、ワシントン大学に拠点を置く Eöt-Wash 共同研究 (20 世紀の変わり目にそのような実験を開拓した Eötvos 男爵にちなんで名付けられた) は、等価原理の違反を探してきました。ニュートン重力の逆 2 乗則からの偏差に加えて、現在では 100,000 分の数メートルに近づいています。これまでのところ、ニュートンの法則や等価原理の修正は見つかっておらず、余分な次元が存在する場合、数十ミクロンよりもはるかに小さい領域に丸まっていることが示唆されています.

宇宙の「暗黒時代」を垣間見るには、かすかな無線信号に耳を傾けてください

宇宙の歴史には、私たちが比較的ほとんど知らない時代、いわゆる暗黒時代があります。これは、中性水素が最初に形成された「再結合」の後、最初の星が輝き始める前の時代です。

単独で座っている水素原子は、あまり放出しません。しかし、太陽の周りを公転する他の惑星と同様に、太陽も自転します。任意の水素原子核を周回する孤立した電子は、その公転運動に沿って、または逆に自転します。後者はエネルギーが少ない。

暗黒時代の中性水素は、宇宙のマイクロ波背景光に照らされており、励起されてより高いエネルギーが整列した構成で回転する特定の部分を持っています。これらの励起された原子がより低いエネルギーのアンチアライン構成に遷移すると、それらは約 1.4 ギガヘルツの放射を放出します。これは、波長が約 21 cm の非常に微弱な電波信号に相当します。このいわゆる 21 センチメートルの背景を検出することで、暗黒時代を直接覗き込むことができます。

低周波アレイ (LOFAR) 望遠鏡は、ヨーロッパ全土 (ただし主にオランダ) に配置された約 20,000 のフェーズド アンテナのアレイであり、この非常に微弱な信号を検出することを期待して、2012 年から宇宙を覗き込んでいます。しかし、地球とそれが位置する銀河系は非常に騒がしい場所であり、暗黒時代からの信号をローカルノイズを超えて検出することはこれまで不可能でした.スクエア キロメートル アレイ (SKA) として知られる国際的なアレイの野心的な計画が進行中ですが、今のところ、暗黒時代はそのままです。

エイリアンを発見するには、耳を傾けるのをやめないでください

私たちの宇宙以外の宇宙に知的生命体が存在するという決定的な証拠は、文明の転機となるでしょう。さまざまな実験を含む集団的な取り組みにより、地球外知性体の信号を、無線技術が登場してからずっと探してきました。基本的な考え方は、人間の無線送信の場合と同様に、人工無線信号は周波数範囲が狭く、反復性があるため、自然 (天体物理学) 源によって作成されたものと区別できるというものです。食欲をそそる候補信号が 1977 年に出現しましたが、それは二度と見られず、自然な説明を排除することはできません.

地球外知的生命体の探索である SETI は、系外惑星の探索のために名目上展開された技術で最近補完されたアレン望遠鏡アレイを含む、さまざまな専用の電波望遠鏡を継続しています。科学者たちはまた、物理学者のフリーマン ダイソンが仮説を立てた異星人のメガ構造を探すことを目的としており、高度な文明がホスト星から直接エネルギーを収穫するために使用する可能性があります。何十年にもわたって空っぽになってきましたが、地球外知性の集合的な探索は、アーサー・C・クラークの有名な不安に対処するために、これまで以上にうまく装備されています。どちらも同じように恐ろしいです。」

Subodh Patil は、コペンハーゲン大学ニールス ボーア研究所の理論物理学者です。彼は時々 @_subodhpatil でツイートしています。

見る:この理論宇宙論者の研究は、弦理論の 最初の実証的テストですか?

この古典的な Facts So Romantic の投稿は、もともと 2017 年 3 月に公開されたものです。


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