私たちが見ることのできる宇宙は、その先の大宇宙のほんの一部にすぎません。銀河、恒星、惑星、人間、木 — それらはすべて、宇宙のエネルギーと物質のわずか 5% を占めています。ダークエネルギーと呼ばれる神秘的な宇宙の引き裂く力とは対照的に、有形の物質のうち、私たちが検出できるものは約15％にすぎません。残りは、暗黒物質として知られる未知の形になります。
この物質は見ることも保持することもできませんが、銀河の羊飼いであるため、宇宙学者は暗黒物質が存在することを広く確信しています。私たちの銀河を含むすべての銀河は暗黒物質の巨大なハローに囲まれており、この目に見えない物質がレンズとして機能し、他の銀河から発せられる光の方向を変えて、深宇宙に対する私たちの視界をゆがめます。暗黒物質はまた、銀河団が進化し、宇宙を移動する際に銀河団を導きます。
しかし、それがどのように見えるか、重さは何か、どのように機能するかはわかりません。何十年もの間、物理学者は、深い地下鉱山から国際宇宙ステーションまで、さまざまな場所で暗黒物質の粒子を探してきました。これまでのすべての努力は空っぽになりました。言い換えれば、私たちは宇宙が何であるかを知りません.
これはすべて非常に複雑で、数学的に難解で、哲学的に深遠であり、Cora Dvorkin のような理論家にとってはとても楽しいものです。
ドヴォルキンはアルゼンチンの少女として、スティーブン・ホーキングを読み、人間が自問できる最も壮大な質問に夢中になりました。渡米し、シカゴ大学大学院に進学。現在、ハーバード大学の理論宇宙論者であるドヴォルキンは、これらの壮大な質問をする新しい方法を考え出し、答えを見つけようとしています.彼女にとって、宇宙論は哲学のようなものですが、データが必要です.
ドヴォルキンは、日常の粒子と暗黒物質を構成するはずの謎の粒子との関係を調査しています。何年もの間、これらの推定上の粒子の候補として好まれてきたのは、弱い相互作用をする大質量粒子 (WIMP) と呼ばれるものでした。 WIMP の検出を目的とする実験では、粒子そのものではなく、コーリング カードを探します。 WIMP が近づいてきて通常の物質をぶつけた場合、通常の物質は測定可能な方法で反動します — 非常に注意深く、非常に困難ではありますが。
2013 年、Dvorkin は、暗黒物質が WIMP として振る舞うのではなく、実際には通常の物質に衝突するシナリオを調査した画期的な論文を発表しました。暗黒物質と通常の物質は、私たちがまだ理解していない方法で一緒に空を航行する可能性があります.彼女は、チリの砂漠と南極にある一連の望遠鏡を使用する次世代の地上ベースの宇宙マイクロ波背景放射実験 (CMB-S4) で、この理論を調査したいと考えています。
ドヴォルキンの研究は、素粒子物理学と宇宙論の結びつきにあり、どちらも奇妙な停滞期に達しています。どちらの分野も新しい証拠を必要としており、一部の宇宙論者は新しい概念を求めています。科学者が 8 年前にヒッグス粒子を発見して以来、素粒子物理学の標準モデル (私たちの共通の宇宙基盤を説明する主要なパラダイム) を超えて移動する方法は実験で示されていません。同様に、宇宙論では、ラムダ コールド ダーク マター モデル (ΛCDM) は、暗黒エネルギー (ラムダ) と暗黒物質があると述べていますが、それらが何であるかは述べていません。 Dvorkin は、これらすべての非回答に動機付けられていると言います.
「私たちは宇宙論、宇宙論的データの黄金時代に生きています。現在および今後の実験が非常に多く、まるで遊園地にいる女の子のようです」と彼女は言いました.
量子 哲学、科学のパラダイムシフト、ニュートリノ、そして宇宙論の黄金時代にまだ答えられていない問題について、ドヴォルキンと話しました。インタビューは、わかりやすくするために要約および編集されています。
どのようにして物理学に興味を持つようになりましたか?
私はとても小さい頃、よく本を読んでいました。私が本当に興味を持った本の 1 つは、A Brief History of Time でした。 .幼い頃に読んで、宇宙に関する疑問にとても興奮しました。人文科学、哲学、数学にも興味がありました。宇宙論では、宇宙で何が起こっているかを研究するために数学を適用して、自分の興味を哲学的な問題に結び付けることができることに気付きました.
宇宙論は哲学とどのように似ていますか?
宇宙論を使えば、宇宙論的観測を使って宇宙に関する基本的な疑問に答えようとする一歩を踏み出すことができるという事実が気に入っています.したがって、実際のデータを使用すると、宇宙の最も基本的な質問のいくつかを理解することができます.たとえば、宇宙についての基本的な質問をする哲学とは対照的に、それは私が魅力的だと思うものですが、それはデータを扱いません.非常に多くのデータがあります。
ご存知のように、それは私が探している質問です。私にとって、私たちが生きている瞬間に、正しい質問をするという探求が私を駆り立てるものです.
今は宇宙論の黄金時代のような気がします。私たちは知っていることがたくさんあるので、本当に良い質問をすることができますが、主要なことはまだとらえどころのないものです.
丁度。宇宙を非常に基本的なレベルで説明するモデルがありますが、このモデルの主な構成要素はよくわかっていません。たとえば、Lambda-CDM のラムダとは何ですか? Lambda-CDM の CDM とは何ですか?
ラムダ CDM が暗黒物質とは何か、また暗黒物質の働きに関する主要な理論であるのはなぜですか?
Lambda-CDM は、大規模な観測結果を非常によく説明しています。
この理論をさまざまな観測対象でテストしました — 宇宙マイクロ波背景放射、銀河クラスタリング、ライマン アルファ フォレスト。そしてそれらはすべて、宇宙論の Lambda-CDM 標準モデルによって予測されたものと一致しています。構造上、暗黒物質のさまざまなモデルは、大規模な観測とよく一致します。そうしなければなりません — そうでなければ、私たちはそれらを使用しません。
しかし、小規模なスケールは十分に測定されていないため、さまざまなシナリオをテストするための肥沃な土壌を提供しています.
では、小規模でテストするにはどうすればよいでしょうか?
何年にもわたって私の研究グループと共に、私たちは小さなスケールでの暗黒物質のプローブとして重力レンズを調べてきました.
私たちが取り組んでいるのは、銀河間レンズです。そのため、背景の銀河と前景の銀河があり、重力によって光がそらされます。前景の銀河は、一般相対性理論に従って時空構造を変形させるため、光源から来る光を偏向させます。
したがって、私たちの視点から見ると、背景の銀河のレンズ画像である空に広がった弧が見えます。そして、レンズ作用をしている銀河が塊状か滑らかかを確認します。私たちは、統計的な方法で暗黒物質の塊を見つけようとしています。また、機械学習手法を使用してこれらの塊を直接検出する作業も行っており、これらの機械学習手法がこれで非常に成功していることを確認しています.
宇宙の暗黒物質の小規模な変動に検出をマッピングすることができ、さまざまな暗黒物質理論に限界を設けることができます。たとえば、暗黒物質が「暖かい」場合、より速く移動します。暖かい暗黒物質は、空間の小さな領域で、物質が小さなスケールで凝集することを許可しません。対照的に、冷たい暗黒物質は、より多くの物質が小さなスケールでクラスター化されています。したがって、さまざまな暗黒物質のシナリオに制限を設けることができます。
暗黒物質について過去数十年にわたって私たちが抱いてきたこの考え方から抜け出すために、何か新しいものが必要ですか?ちょっと立ち往生していませんか？
立ち往生しているわけではありません。それどころか、ここ数年の間に出てきた多くの新しいアイデアがあります。宇宙論を使えば暗黒物質の性質を間接的に探ることができ、さまざまな種類のモデルに多くの関心が寄せられています。
それで、新しい理論モデルとそれらをテストする新しい方法を作成しますか?
ええ、まさに。特にCMB-S4のような今後の実験では、物理学の重要な基本的な問題に対する重要な答えを得ることができるように実験の設計に関与しました.とても楽しいです。
このことについて若い人たちに話すとき、それが楽しいことをどのように伝えますか?あなたがしていることと、それがなぜそれほど重要なのかについて、彼らに何を伝えますか?
私は特に、科学者になりたい女性や若い女の子、またはその他の過小評価されたグループに話をするのが好きです.それらのトークでは、明らかに専門用語は使用しませんが、私たちが尋ねている質問に対する探求と、答えに対する探求を伝えようとしています。私たちは、私たちが住んでいる場所がどのように機能するかを理解したいと考えています。それはまさに人間の資質です。私たちは物事を理解するのが好きです.
答えを求めて、何百万もの新しい質問を開きます。それが常に機能する方法です。私たちは何かに対して答えを得ようとしますが、正確な答えは決して得られません。答えに近づきます。パズルのピースを正確に正しい場所に配置しようとするようなものです。正確に適合することはありませんが、アプローチします。そして、それに近づくにつれて、さらに多くの疑問が生じます。それが科学を行うことの一種の性質です。それは質問の世界を開きます。知れば知るほど、より多くの質問をすることができ、ますます好奇心が強くなります。
私は最近、メソポタミアの文化からガリレオと彼の友人たちに至るまで、初期の科学について多くのことを書いてきました.そして、彼らがどれだけ学んだか、どれだけ早く学んだかを知るのは楽しいことです。そして、それは今も同じようなものだと感じています。私たちが暗黒物質について学んだのは 50 年前、暗黒エネルギーについて学んだのはわずか 20 年前であることを忘れがちです。これは本当に新しいです!
うん。私たちが実際に生きている瞬間に関して自分自身を文脈に置くことは非常に難しいと思います.過去について話しているときは、文脈を整えるのが簡単です。でもおっしゃる通り、暗黒物質は50年前に発見され、暗黒エネルギーは20年前に発見されました。したがって、人類の歴史に比べれば、それほど長くはありません。
これらのこと、特に暗黒物質の性質について、あなたにとって本当に説得力のある理論はありますか?
好きな理論はありません。最近の私の仕事のほとんどは、おそらく最初から、モデルに依存しない暗黒物質の学習方法に本当に依存しています。例えば、最近は重力レンズを使って小さなスケールで暗黒物質について学ぼうとしています。そしてその素晴らしい点は、ダーク セクターと私たちの標準モデルとの間の特定の結合に依存していないことです。特に理論に頼らずにマッピングしようとしています。そして一般的に、私の仕事のほとんどは、暗黒物質のモデルに依存しないプローブ、またはできる限りモデルに依存しないプローブに依存しています。いいえ、好きな理論はありません。
私はニュートリノがとても好きです。私は昨年の 10 年調査で、ニュートリノの質量と宇宙論に関する論文を主導しました。ニュートリノに関する主な興味深い点の 1 つは、ニュートリノが標準モデルを超えた新しい物理学について現在得られている唯一の証拠であることです。
2013 年の論文に遡るあなたの研究のいくつかは、暗黒物質が WIMP 以外のものである可能性を探っています。これらの異なる粒子はどのようなもので、通常の物質とどのように相互作用するのでしょうか?
より軽い質量を考慮し、より高い断面積を考慮します。断面は、粒子が衝突中に特定の角度だけ偏向する確率を表します。
このシナリオの粒子は、WIMP の断面積よりも通常の物質の断面積がはるかに大きいため、WIMP ではありません。これは、暗黒物質が消滅して標準粒子を生成する一般的なメカニズムとは対照的に、消滅して暗黒物質を生成する標準モデル粒子の弱い相互作用によって生成される粒子である可能性があります。
この粒子はさまざまなものである可能性があるため、頭字語や特定の名前はありません。
最後に、次にどこに向かうのかを尋ねたいと思います。私たちが答えを知らないこれらすべての本当に重要で基本的な質問があります.いくつかの根本的な疑問に真に答える次の巨大で魅惑的な発見は何だと思いますか?
次のブレイクスルーが何かと言ったら嘘になりますが、現在および今後の実験的取り組みの数により、今後 10 年間でダーク セクターについてさらに多くのことを学ぶことができると確信しています。つまり、それは本当に印象的です。暗黒物質の性質について多くのことを学べると思います。ニュートリノの性質について多くを学びます。したがって、暗黒物質の分野とより一般的な暗黒セクターでは、今後 10 年間で多くの進歩が見られると思います。これは、さまざまな面で進歩できる分野です。
