9 月、キャサリン フリースは、スウェーデンのストックホルムにある、世界で最も権威のある理論物理学研究所の 1 つである Nordic Institute for Theoretical Physics の指揮を執ります。今後3年間、宇宙の最も深い謎、特に宇宙の質量の大部分を占めるが、物理学者の検索でそれ自体を明らかにすることを頑固に拒否してきた暗黒物質の正体を熟考するための拠点となる.
理論天体物理学者で、現在ミシガン大学のジョージ E. ウーレンベック物理学教授であるフリースは、インフレーション理論に大きな貢献をしました。宇宙の膨張を加速させる原因であると信じられている謎の力である暗黒エネルギーの説明を提案しました.
学部生として、フリーズはプリンストン大学で物理学を専攻した最初の女性の 1 人でした。その後、彼女はコロンビア大学で勉強した後、シカゴ大学で伝説の David Schramm の大学院生になり、素粒子天体物理学の新しい分野のパイオニアである悪名高い「シカゴ マフィア」のメンバーになりました。
最近、彼女は暗黒星と呼ばれる暗黒物質を動力源とする天体が、宇宙で最初の星であった可能性があると提案しました.
5 月には、プリンストン大学出版局が彼女の著書「The Cosmic Cocktail」を出版しました。一般の読者を対象としたこの本は、暗黒物質を理解するための科学的探究と、物理学における女性としての彼女の経験について説明しています。
「私のキャリア全体で、私は物理学の女性であることを常に意識してきました」と彼女は言いました. 「私が参加したすべての部屋、すべての会議、すべての頭が回ります。」彼女がストックホルムに引っ越した理由の一部は、そこで科学分野で女性が文化的に受け入れられていることにあると彼女は言いました。 「地球全体で、私が知る限り、女性が科学を行うのに最適な場所はスカンジナビアです」と彼女は言いました.
Quanta Magazine は最近、ニューヨーク市で Freese にインタビューしました。そのインタビューの抜粋を編集して以下に示します。
クアンタ マガジン:ノルディタについて教えてください。
KATHERINE FREESE:Nordita は、スカンジナビアとアイスランドを含む北欧諸国の理論物理学の研究所です。世界で最も有名な理論物理学研究所の 1 つです。
Nordita のディレクターになろうと思ったきっかけは何ですか?
重要な要素は、私がストックホルムを気に入らなければならなかったということでした。私はオスカー クライン宇宙粒子物理学センターの理事を務めていました。ストックホルムを知りました。地球上で最も美しい場所の 1 つであり、美しい都市であり、水が豊富で、ボートに乗るのが好きです。そして、とてもフレンドリーな人々でした。
しかし、それだけでは十分ではありませんでした。地球上の主要な研究機関の 1 つを指揮するこの機会は刺激的です。ぜひ挑戦してみたいリーダーポジションです。しかし、ストックホルムに永久に引っ越すわけではありません。ミシガン州を休学します。
暗黒物質を研究キャリアの中心に据えたのはなぜですか?
それは私が下した決定ではないと思います。私はそれに乗り込み、その後も続けました。
私はコロンビアの大学院生として、イリノイ州のフェルミ研究所で実験に取り組んでいました。週に数回シカゴの街に足を踏み入れる口実が欲しかったので、David Schramm と一緒に宇宙論に登録しました。シュラムは巨人でした。つまり、物理的に巨人でした。彼はレスラーでした — 彼はグレコローマン レスリングのオリンピック トライアルのファイナリストでした。私たちは彼をシュランボと呼んだ。しかし、彼は素粒子天体物理学の分野でも巨人でした。彼はその分野を本当に動かした人の一人でした。ですから、人生のこの時期に彼に会えたのはとても幸運でした。彼は完全なインスピレーションでした。そして師匠から教わった気がします。それで、彼は暗黒物質の候補としてニュートリノを調べさせました。しかし、ニュートリノはうまくいきませんでした。
それで、あなたはWIMPと呼ばれるエキゾチック粒子の研究を始めましたね。それらは何ですか?
WIMP は弱く相互作用する大規模な粒子であり、その名前には多くの意味があります。 「大質量」の部分とは、陽子と同じ質量またはその 1000 倍の質量の間のいずれかの重さを意味します。そしてそれらの相互作用は本当に弱く、それがこれらの粒子を検出するのを困難にしています。しかし、これが暗黒物質の非常に有力な候補であると私たちが考える理由は、この1つのこと、これらの弱い相互作用を仮定すると、宇宙の暗黒物質の量を説明できるからです.これらの粒子はそれ自体が反物質であるため、互いに遭遇するたびに消滅します。つまり、別のものに変わります。そのため、WIMP がなくなると、それらは光子またはその他の粒子に変わります。初期の宇宙では、それらがどのように存在し、それらがどのようにしてこの消滅を達成したかを計算することができます。そして、今日残っている数を尋ねることができ、暗黒物質を説明するために今日残っている適切な量を得ることができます.宇宙学者はこれを WIMP の奇跡と呼んでおり、これはかなり説得力があると考えています。私たちが目にする暗黒物質を説明するために、まったく新しい物理学を追加する必要はありません。
さて、人々が WIMP を好むもう 1 つの理由は、暗黒物質とは何の関係もない理由で提案されたさまざまな素粒子理論に、WIMP がすでに存在していることです。超対称性は、素粒子物理学の他の問題を解決するために提案された素粒子物理学の標準モデルの拡張であり、自動的に、超対称性の最も単純な変形では、WIMP である暗黒物質候補が得られます。とてもいいですね。
では、今日の暗黒物質探索の状況をどのように評価しますか?
説明のつかない信号が見られる実験がたくさん行われています。しかし、それらはすべて互いに反対しているようです。それらすべてが正しいわけではありません。問題は、どちらが正しいかということです。興味深い異常な信号を発見した最初の実験は、ローマ近郊のアペニン山脈の下で行われた DAMA (「ダークマター」) 実験でした。その信号は、Andrzej Drukier と David Spergel との私の研究に基づいています。地球は太陽の周りを移動しているため、暗黒物質の信号は年によって上下し、6 月にピークに達し、12 月に最小になることを指摘しました。そして、それがDAMAの研究者が見ているものです.彼らは 13 年分のデータを持っており、暗黒物質の信号である場合とまったく同じように、信号は間違いなく年に応じて上下します。ただし、注意点が 2 つあります。1 つは、自分のデータを他人に見せないようにすることです。これにより、疑いが生じます。もう 1 つは、DAMA が他の実験と一致していないように見えることです。他の実験では除外されたと言う人もいます.
宇宙での観測からの暗黒物質粒子の証拠はどうですか?
最新のものは、ガンマ線の空を見ているフェルミ衛星から来ています。ガンマ線は高エネルギー光子であり、WIMP 消滅の最終生成物である可能性があります。可能性のある信号が銀河の中心に向かって見られています — 過剰なガンマ線の巨大な泡です。銀河面の上と下に、これらの 2 つの巨大な巨大な泡があります。その一部は暗黒物質の消滅によるものかもしれません。多くの著者が、これが陽子の 30 倍の重さの暗黒物質粒子である可能性があるという考えを研究しています。しかし、銀河の中心では、より一般的な天体物理学的信号と競合する他の多くのことが起こっているため、何かを主張する前に常に非常に注意する必要があります.とにかく、それが最近のお気に入りです。
アクセラレータで WIMP を検索することもできます。しかし、ラージ ハドロン コライダーのような加速器は、超対称粒子を探しても見つかりませんでした。
もちろん、LHC は超対称性を探しており、まだ見つかっていませんが、そうではないというわけではありません。シャットダウンしたときの 2 倍のエネルギーで起動しようとしているので、そこに何かがあることを願っています.
暗黒エネルギーについて話しましょう。それはこの巨大な謎です。宇宙論的天体物理学コミュニティが当惑しているように思えます.
うん。そうそう。この時点でのダーク エネルギーはラベルにすぎません。私たちはそれを理解していません。そして、私が常に強調していることの 1 つは、通常の物質とエネルギーが関連しているということです。それらは互いに変換できます。暗黒物質と暗黒エネルギーにはそのような関係はありません。彼らが共有しているのは、彼らが暗いということだけです。彼らは輝いていません、そして私たちは彼らが何であるかを知りません.関係があるかもしれませんが、そうでないかもしれません。暗黒エネルギーの説明をしようとして人々が探求している理論的な可能性がありますが、実際には何が起こっているのかわかりません.ほとんどの人が好むバニラの説明は、それはある種の真空エネルギー、つまり宇宙定数として知られているものだというものです。この部屋では、粒子と反粒子が出現したり消滅したりしています。これは事実であり、測定されており、真実です。宇宙のすべての粒子にバネを取り付け、そこからのすべてのエネルギーを合計すると、それがこの真空エネルギーです。しかし、そうすると、[観測されたものと比較して] 10 の 120 乗の大きすぎる数値が得られます。
理論では、実際に観測された量よりもはるかに多くの真空エネルギーが予測されています。複数の宇宙、つまり多元宇宙があり、それぞれが異なる密度の真空エネルギーを持っている場合、この巨大な格差は説明できるのではないでしょうか?その場合、私たちの資金が少ない理由は、それが私たちがそこに存在できる唯一の方法だからです.
私はその考えが好きではありません。ひも理論のおかげで、多くの人がそれを気に入っています。当初、人々は弦理論が真空エネルギー方程式に独自の解を与えると考えていました。しかし、ひも理論では、おそらく 10 から 500 分の 1 の異なる真空状態が存在することが判明しています。つまり、それらはすべてそこにあるという考えですが、私たちは、宇宙定数の値が私たちが持っている値に近いものに住んでいる必要があります.しかし、私は人道的な議論が好きではありません。彼らは、人間の生命は特定の条件下でのみ存在することができるという事実に依存しているため、そこにある多くの宇宙の中で、私たちのタイプの生命をサポートする宇宙に住んでいても驚くことではありません.それは私にとって十分な説明ではありません。私たちが答えなければならない物理的な問題があると感じています、そして私たちはこの宇宙で、私たちが住んでいる宇宙のこの部分でそれらに答えることができます.それをあきらめて、そうでなければ私たちは存在できなかったので、それはこの値を持っている必要があります。私たちはそれよりもうまくやれると思います。わかります、私は時代遅れです。
多元宇宙が存在するかどうかは問題の一部ではありませんか?多元宇宙が存在するという本当に強力な証拠があれば、人類学的説明はより動機づけられます。ビッグバン直後の急激な膨張であるインフレは、「永遠のインフレ」によって多元宇宙を生み出す可能性があると考えられています。
私はインフレを信じています。可能であれば、この可能性を検討せざるを得ないからです。私は最近、これについてウィル・キニーと一緒に論文を書きました。宇宙のマイクロ波背景放射で観測されたものは、永遠のインフレーションを引き起こしているわけではないと結論付けました。では、どうしてそんなことがあったとわかるのですか?
BICEP2 実験の宇宙マイクロ波背景放射に関する最近の結果は、この問題に関連していますか?
BICEP のデータをそのまま受け取ると (そうすべきだと言っているわけではありません)、永遠のインフレはありません。ですから、私に言わせれば、永遠にインフレする必要はありません。とても嬉しかったです。
あなたの最近の興味の 1 つ、ダーク スターについて教えてください。
暗黒物質がWIMPでできている場合、形成された最初の星は核融合ではなく暗黒物質によって動力を与えられます.これらの星は、宇宙が 2 億歳のときに形成されました。その時点ではまだ銀河はありませんが、サイズが約 100 万太陽質量の小さな構造の塊があります。星がどのように形成されるかについての考えは、それらの塊の真ん中に、水素とヘリウムの崩壊雲があるということです.星形成の標準的な図では、この物体は非常に小さくなるまで崩壊し、その後核融合が始まります.
私はこれらの現象をパオロ・ゴンドーロとダグ・スポリアーと共に研究しました。これらのものが形成されている場所の周りには多くの暗黒物質があるので、暗黒物質がどのような役割を果たしているのかを尋ねました.そして、暗黒物質の消滅の産物である光子、電子、陽電子が、この崩壊する雲の中に閉じ込められ、それを加熱する可能性があることがわかりました.つまり、それは消滅力、消滅加熱、暗黒物質加熱です。
これらのものは非常に拡散し、ふくらんでいます。その半径は、地球と太陽の間の距離とほぼ同じか、その 10 倍にもなります。それらの表面温度は非常に低いです。暗黒物質の力は星全体に均等に広がっています — 核融合とは異なり、力の源は中心に集中していません.でも本当のスターです。ここで暗黒物質が役割を果たす可能性があるという考えを持った後、「暗黒星」という用語はおそらく間違った考えを与えることに気付きました。それらはおそらく太陽と同じような質量で始まりますが、太陽の 1000 万倍の質量になるまでどんどん物質を追加し続けることができます。すべての人がこれほど大きくなるわけではありませんが、太陽の 100 億倍の明るさになるものもあります。これらは、2018 年に打ち上げられる予定のハッブル宇宙望遠鏡の続編であるジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡で見ることができます。私にとって、それは私の次のフロンティアです。
この記事は Wired.com に転載されました。
