世界最大の暗黒物質検出器 (LUX-ZEPLIN (LZ) として知られる米国の巨獣) を扱う物理学者が本日、最初の結果を発表しました。彼らは、彼らが探しているもの、いわゆる弱く相互作用する大質量粒子または WIMP の兆候を見ません。それでも、この結果は素粒子物理学者の間で関心を集めており、約 40 年にわたる WIMP の探索がクライマックスに近づいています。米国の検出器は、イタリアと中国の同様の検出器と同時に起動しており、これらを合わせると、最後の世代ではないにしても、最後の世代の WIMP 検出器を表している可能性があります。
新しい発見は、2021 年 12 月から 4 か月にわたって取得された 65 日分のデータから得られたものだと、ブラウン大学の物理学者で LZ メンバーである Richard Gaitskell は述べています。これは、LZ の研究者が今後 3 年から 5 年で取得しようとしている 1000 日分のデータのごく一部ですが、検出器がうまく機能し、現在世界で最も感度が高いことを証明するには十分です。 「過剰なイベントがあったとすれば、それを確認できる立場にあるでしょう」と Gaitskell は言います。「しかし、それはありません。」
暗黒物質は全物質の85%を占めると考えられています。たとえば、天文学的な観測によると、典型的な銀河の星は非常に速く渦を巻いており、それらの集団重力では宇宙への飛行を妨げることができません。そのため、物理学者は、ある種の目に見えない暗黒物質 (おそらく新しい粒子) が、星を制御するために必要な追加の重力を提供すると想定しています。
1980 年代以来、多くの物理学者は暗黒物質が WIMP で構成されており、重力と弱い核力だけで通常の物質と相互作用すると考えてきました。 WIMP はビッグバンの後に自然に出現し、陽子の約 100 倍の質量がある場合、暗黒物質を説明するのに十分な数で存続するはずです。それらは銀河に浸透し、私たちを通過することさえありますが、時には原子核に衝突するはずです.したがって、WIMP を探すには、物理学者は地下深くにある検出器で反動核を探すだけでよく、反跳イベントを引き起こす可能性のある他の種類の放射線から遮蔽されています。
20 年間、科学者たちは、液体キセノンのタンクの上下に光検出光電管を並べた、これまでになく大きな検出器を開発してきました。 WIMP が核に衝突すると、反動する核が検出可能な閃光を生成します。また、高速原子核によって解放された電子は、電場によってタンクの上部に向かって引っ張られ、2 番目のフラッシュを生成します。フラッシュのサイズとタイミングを比較することで、研究者は反跳する原子核を、検出器に当たるガンマ線によって生成される反跳する電子などと区別することができます。キセノン自体がタンクの心臓部を保護し、バックグラウンド放射線を大幅に減らします。
LZ の中央タンクには、7 トンの液体キセノンが含まれており、サウスダコタ州リード近くの放棄された金鉱山にあるサンフォード地下研究施設の 1480 メートル下に潜んでいます。着陸帯の研究者は、検出器で 335 の核反動事象を見ていると、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者であり、287 名の着陸帯チームのスポークスパーソンであるヒュー リッピンコットは、オンライン セミナーで今日報告しました。しかし、その数は、キセノン中の鉛 214 などの必然的な放射性同位体の痕跡から予想されるバックグラウンド イベントとほぼ同じであるとリッピンコットは報告しているため、LZ が WIMP を検出したと主張することはできません。
しかし、null の結果にはまだ価値があります。物理学者は、WIMP の質量や、通常の物質との相互作用の強さを正確に予測することはできません。着陸帯の研究者は、陽子の約 10 ～ 10,000 倍の WIMP 質量に対する相互作用の強度に、これまでで最も厳しい制限を課しました。 LZ の新しい制限は、中国の金平地下研究所にある 3.7 トンの液体キセノン検出器である PandaX-4T を使用するチームによって 2021 年 12 月に公開された制限を超えています。
フェルミ国立加速器研究所の理論家であるダン・フーパーは、LZ のわずかな量のデータと PandaX の以前の実験的限界を考えると、ゼロの結果はほとんど驚くべきことではないと述べています。それでも、フーパーは、LZ、PandaX-4T、および 3 番目の実験である XENONnT (イタリアの地下にあるグラン サッソ国立研究所の 5.9 トンの検出器) の結果を見て興奮していると述べています。これは XENON コラボレーションの 4 回目の反復であり、今年後半に最初の結果をリリースする予定です。競争により、すべてのチームがより懸命に働くようになると、フーパーは言います。 「私の物理学者兼資本主義者は、これは良いことだと考えています。」
近年、暗黒物質の候補としての WIMP への熱意の一部が弱まっています。これは、これまで検索が空っぽだっただけでなく、世界最大の原子粉砕機であるヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器がまだ何も爆発していないためでもあります。弱虫のように。しかし、物理学者は、WIMP の質量と相互作用強度の可能な範囲の核心を探り始めたばかりだとパデュー大学の物理学者で XENON チームのメンバーである Rafael Lang は主張している。 「言い換えれば、10 年か 20 年前にあなたがワクワクしていた [可能性] の半分は、今も健在です。」
WIMP ハンターは、80 トンの巨人である究極の液体キセノン検出器をすでにスケッチしています。 「それがテクノロジーでできることです」と Gaitskell 氏は言います。そのような検出器は、液体キセノンのアプローチを限界まで押し上げるだろう。なぜなら、そのサイズでは、太陽からのニュートリノと呼ばれる粒子の洪水を検出し始めるのに十分な感度があるからである。これらの避けられない事象は WIMP 衝突と区別がつかず、液体キセノン検出器をこれ以上大きくすることは多かれ少なかれ無意味になります。ラング氏によると、LZ と XENON のチームはすでにコンセプトの共同作業を開始しています。 「私たちのコラボレーションが力を合わせたことに興奮しています。」
