大きな発見をしたと 99.81% 確信していると言ったら、シャンパンを割る時が来たと思うかもしれません。この発見が科学における最大の未解決の問題の 1 つを解決し、ノーベル賞を受賞するためにストックホルムへの切符を切らせてくれるだろうと言ったら、私が見つけることができる最高のシャンパンのケースを注文して、私の計画を立て始めることを提案するかもしれません。受賞スピーチ。結局のところ、99.81% の確実性はかなり良好です。これは、ほとんどの研究分野で「統計的有意性」に使用されるバーである 95% をはるかに上回っています。
しかし、ほとんどの物理学者は、残りの .19% の不確実性がもう少し取り除かれるまで、泡立ちを控えるように私に言うでしょう。どのくらいより？簡単に言えば、「ほぼすべて」です。
暗黒物質は、宇宙の質量の大部分を占める謎めいた物質であり、その歴史全体を形作ってきました。文字通り、暗黒物質なしでは私たちはここにいないでしょう。しかし、何年にもわたって暗黒物質の粒子を探してきた結果、それがどのようなものなのかまったくわからず、多くの物理学者が強い不満を抱いています。それを発見し、その特性を知ることは、宇宙がどのようにして現在の状態になったかについて多くの詳細を埋めるのに役立ちます.
したがって、暗黒物質の発見の可能性に関する最近の発表に、科学者は 99.81% 確信していたのは偶然ではなかったと非常に興奮していると思うかもしれません。残念なことに、物理学、特に暗黒物質の発見を目撃した人々にとって、発見は非常に複雑なものであることが判明しました.
興味をそそるヒント
暗黒物質の名前は、黒いからではなく、目に見えないから付けられました。天文学者が、銀河を回転させ続けるために必要な重力を生成するのに十分な物質がないと計算したときに、パズルが浮かび上がりました。彼らは、余分な重力を生み出しているとは思えない何らかの物質があるに違いないという仮説を立てました。目に見えないので、光やその他の形態の放射線と相互作用しないことがわかっています。実際、通常の物質とはあまり相互作用できません。しかし、それは重力を生み出し、その引力はビッグバンの直後から宇宙の進化に影響を与えてきました.当時、原子が存在するには温度が高すぎたため、科学者たちは暗黒物質が粒子であるに違いないと判断し、弱く相互作用する大規模な粒子の WIMP というニックネームを付けました。
WIMP が光や他の粒子と相互作用しない場合、どのようにしてそれらを検出できますか?暗黒物質の挙動に関するいくつかのモデルによると、「通常の物質とは相互作用しない」という考え全体は近似値にすぎません。ごくまれに、暗黒物質粒子が通常の物質と非常に弱い相互作用をする可能性があります。暗黒物質の粒子は、検出器に激突するのではなく、その原子の 1 つを穏やかに微調整することがあります。多くのチームが、これらの非常に低エネルギーの動きに敏感な特殊な検出器を構築しました。
それらのチームの 1 つは Super Cryogenic Dark Matter Search （SuperCDMS）です。彼らは、地球の表面に衝突するすべてのエネルギーからそれらを遠ざけるために、鉱山の奥深くに多数の非常に敏感な検出器を突き刺しました。ハードウェアは、検出器自体の原子の振動が誤った信号を作成しないように、絶対零度近くまで冷却されました。チームは、鉱山の壁で原子の放射性崩壊から取り込まれた漂遊電子と中性子を特定することを学びました。それから彼らは数年待った。
その時、彼らは暗黒物質粒子の影響のように見える 3 つのイベント [pdf] だけを拾い上げました。しかし、彼らの計算によると、まったく見られなかったはずであり、3 つのイベントが機器のランダム ノイズに起因する可能性はわずか 0.19% でした。 (研究者は、3 つの衝突が見られる確率は 5% であり、3 つの衝突が密接に集まっているのを見る確率は 0.19% であると報告しています。) かなりエキサイティングですね?
確実性を求める
残念なことに、物理学者はこれまで 99% の確実性について間違っていました。より多くのデータが入ってくると、それらは単純に消えてしまいました。これらの確実性は、標準偏差と呼ばれる統計的尺度 (略して σ またはシグマ) で表すことができます。素粒子物理学の慣習により、発見を発表するには、発見は 5 シグマである必要があります。検出する実際の信号がなく、研究者がランダム ノイズのコレクションを見ているだけの場合、同様の結果が得られる確率は 0.0001% に過ぎません。 .
SuperCDMS の 99.8% の確実性は、わずか 3 シグマ程度です。
そして、重要なことに、その価値は、チームがすべてを正しく行ったことを前提としています。ケーブル接続が緩んでいると、ニュートリノと呼ばれる一部の粒子が光速よりも速く動いているように見える最近のケースで実証されているように、それは決して保証されません。この種のハードウェア エラーは、理論的な理由から道に迷う可能性も伴います。結果を得るために、著者はあらゆる種類の潜在的なノイズ (ランダムな放射性崩壊、漂遊電子など) が検出器でどのように見えるか、およびそれらがどのくらいの頻度で検出されるかについてモデルを作成する必要がありました。
SuperCDMS の背後にいるチームは非常に頭の良い人でいっぱいですが、このプロセスには多くの仮定と概算が含まれています。信号が強くなるまで、これらの仮定は、他の物理学コミュニティがデータを詳しく見て、それが正確で重要かどうかを確認するのに十分なほど重要であると見なされることさえありません.
交差信号
SuperCDMS の結果は 1 つの点で良好です。坑道のすぐ向かいには、CoGeNT と呼ばれる別の暗黒物質検出器があり、2.8 シグマに達する信号を見たと報告しています。重要なのは、2 つの検出器の粒子の質量がほぼ一致していることです。同等のエネルギーで表現すると (アインシュタインが指摘したように、エネルギーと粒子の質量は直接関連しています)、CoGeNT は 7 ギガ電子ボルトの質量を持つ暗黒物質粒子を見ます。 SuperCDMS 粒子は、約 8.6 GeV で重量を量っているように見えます。これは同一ではありませんが、2 つの検出器が同じものを見ている可能性があるほど十分に近いです。
同様の質量は、DAMA/LIBRA と呼ばれるイタリアに拠点を置く検出器によって示唆されています。まったく異なる技術を使用して、春ごとに地球の軌道が暗黒物質の流れに逆らって地球を押していることを反映している可能性がある粒子検出の季節変動を観察しています。
それは朗報です。悪いニュースは、Xenon-100 と呼ばれる別の検出器が、これを完全に除外しているように見えることです。そして、それが物事が混乱するところです。 CoGeNT チームは、Xenon-100 が本当に完全に排除したとは考えていません。 Xenon-100 チームは、CoGeNT の結果を信じていません。 CDMS の研究者は、ほとんど議論に参加していません。そして、誰も DAMA/LIBRA の結果を信頼していないようです。その理由の 1 つは、検出器の背後にあるチームが実験の詳細について慎重だったためです。
関連するデータを含む宇宙での実験もいくつかありますが、それらは物事をより明確にするものではありません.暗黒物質の粒子が衝突して、残骸にエネルギーの反物質が残ることがあると考えられています。 PAMELA と呼ばれる衛星ベースの検出器は、最初はこの反物質の証拠を生成したように見えましたが、より多くのデータを収集した後、信号は消えました（いずれにせよ、粒子は 8GeV よりもはるかに重かったです）。同じことが宇宙ベースのフェルミ望遠鏡にも起こりました。より多くのデータが入ってくると、130GeV の粒子が背景に消えていく証拠が見られました。一方、国際宇宙ステーションの粒子検出器は多くの反物質を検出しましたが、暗いものは見ませんでした。
これらの一見矛盾する結果のすべてに少し混乱しても、心配する必要はありません。多くの物理学者も混乱している可能性があります。最終的に、暗黒物質の発見は、それらのほとんどをある程度理解する必要があります。各実験は、それ自体の不確実性だけでなく、フィールド全体の不確実性にも対処する必要があります。
証拠と理論の対立
暗黒物質は宇宙の進化に影響を与えるため、宇宙自体も私たちの実験が正しい軌道に乗っているかどうかを教えてくれます。 CoGeNT や SuperCDMS で見られる領域の質量 (約 8GeV) の粒子は、W、Z、ヒッグスなどの粒子の質量の約 10 分の 1 であるため、「軽い」粒子と見なされます。また、科学者が明るい暗黒物質の粒子を嫌う理由もたくさんあります。
これらのいくつかは単に実用的です。軽い粒子は検出器で小さな信号を生成するため、バックグラウンド ノイズと混同しやすくなります。しかし、他のものは純粋に理論的なものです。たとえば、私たちが知っている粒子以外の粒子を説明する有力な候補は、超対称性と呼ばれます。ほとんどの超対称粒子は不安定ですが、最も軽い粒子 (「ニュートラリーノ」と呼ばれるニュートリノのいとこ) は安定しているはずであり、優れた暗黒物質粒子になります。しかし、ニュートラリーノは比較的重いと予想されます。もちろん、これもまだ理論上の話です。大型ハドロン衝突型衝突型衝突機はニュートラリーノを見つけられる可能性があるスペースを急速に狭めていますが、信号の兆候はまだありません.
宇宙自体も、私たちに重く考えるように言っているのかもしれません。暗黒物質は重力を介してのみ相互作用しますが、それらの相互作用は宇宙の構造を作成するのに十分でした.それが機能するためには、暗黒物質は重力がそれをつかむのに十分なほどゆっくりと動いている必要があります.物理学の用語では、暗黒物質は「冷たい」必要があります.しかし、WIMP は宇宙が非常に熱くなったビッグバンの直後に何かとの相互作用を停止し、それ以来、その熱を失う方法がありませんでした。この明らかな矛盾は、粒子が重い場合に解決するのが最も簡単です。多くのエネルギーを運ぶ場合でも、粒子の質量は、重力がそれをつかむのに十分なほどゆっくりと移動することを意味します.
この種の混乱を実際にどのように解決しますか？大型ハドロン衝突型加速器のような加速器による粒子発見への従来のルートは、良い例を提供します。粒子検出に使用されるすべての大型加速器には、異なる技術を使用して構築された 2 つの検出器が組み込まれているため、ハードウェアに関連する吸煙が制御されます。物理学者は、それらの両方を使用して重要な信号を確認するまで、問題が解決されていないと見なす傾向があります。 (たとえば、ヒッグス粒子は、LHC の 2 つの異なる検出器によって発見されました。) その姿勢は暗黒物質にも引き継がれる可能性が高く、多くの人は、解決したと確信する前に、2 つの独立した検出器での発見の兆候を待ちます。 .その場合、残りの物理が調整されます。粒子の存在を否定したと考えていたチームは、戻って何が間違っていたのかを突き止めようとします。天文学的な結果は、明らかな信号がなかった理由を解明するために再分析されます。そして、理論家は、多くのモデルのどれを適応させて新しい結果を理解できるかを見つけ出し、超対称性が破綻することが判明した場合はあきらめます。宇宙論者は、必要に応じて、より軽い WIMP を機能させる方法を見つけるでしょう。
しかし、より良い証拠 (3 シグマよりもはるかに強い信号、少なくとも 1 つの他の実験からの確認、および他の実験からの矛盾した証拠に対するいくつかの説明) が得られるまで、暗黒物質の謎が解決されたと結論付けるのは時期尚早のようです。
John Timmer は の科学編集者です。 Ars Technica.彼はまた、コーネル医科大学、ストーニーブルック大学、およびその他の機関で、科学者に一般の人々および相互にコミュニケーションする方法を教えています。
