目に見えない暗黒物質を探している科学者たちは、影の奥深くを調べています。暗黒物質の有力な候補である弱相互作用大質量粒子 (WIMP) の検索が空っぽになると、物理学者は現在、架空の「暗黒セクター」、つまり隠された粒子の影の領域全体に目を向けています。カリフォルニア大学アーバイン校 (UCI) の理論家である Jonathan Feng 氏は、この概念は「7、8 年前から浸透してきましたが、今では本当に注目されつつあります」と述べています。
今週、物理学者たちは、米国エネルギー省 (DOE) が後援するワークショップのために、メリーランド大学カレッジパーク校に集まり、今後数年間に実施される可能性のある 1,000 万ドルの暗黒物質実験のアイデアを検討します。 .この取り組みは、サウスダコタ州リードで建設中の 7,600 万ドルを投じた WIMP 検索の旗艦 LZ を含む、機関の現在の実験を補完するものです。また、多くの研究者は、DOE がダーク セクターに焦点を当てる必要があると考えています。ワシントン D.C. の DOE の高エネルギー物理学のアソシエイト ディレクターであるジム シーグリストは、目標は、宇宙の物質の 85% を構成する暗黒物質に対する DOE の探索のギャップを埋めることであると述べています。 ?"
1980 年代に考案された WIMP は、重力によって目に見える宇宙を形成する暗黒物質の完璧な候補と考えられていました。 WIMP は陽子の数百倍の重さで、重力と弱い核力によってのみ相互作用します。簡単な計算では、今日の暗黒物質を説明するのに十分な量がビッグバンから残っているはずです。これは「WIMP の奇跡」として知られるセールス ポイントです。さらに、WIMP は、既知の粒子の標準モデルにおける主要な技術的問題を解決する概念である超対称性の多くのバージョンで自然に出現します。ただし、物理学者は、地下の検出器で原子核に衝突する WIMP をまだ検出していません。そして、世界で最も強力な原子粉砕機であるスイスの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) では、超対称性や WIMP の兆候は見られませんでした。
欠席により、物理学者はダーク セクターに目を向けるようになりました。彼らは、暗黒物質は標準モデルに追加された単一の巨大な粒子ではなく、多数のより軽い粒子と、既知の粒子との希薄な接続を持つ力で構成されている可能性があると推測しています (図を参照)。たとえば、おなじみの宇宙では、質量のない光子が電磁力を伝えます。ダークセクターでは、大量のダークフォトンが電磁気学のダークバージョンを伝えます。理論家は通常、通常の光子と暗い光子が微妙に絡み合うか、「混ざる」と予想しています。したがって、通常は高エネルギーの光子を生成する粒子相互作用が、代わりに暗い光子を生成することはほとんどありません。
ヒッグス ボソンとニュートリノも同様にダーク セクターに接続します。これらのポータルのおかげで、幼少期の宇宙は、WIMP の奇跡と同じように、適切な量の暗黒物質を生成したはずです.
ダーク セクターの粒子は WIMP よりもはるかに軽く、陽子の質量よりも小さいため、物理学者はそれらを爆破するために LHC のエネルギーを必要としません。はるかに低いエネルギーだが強力な電子ビームがうまくいく可能性がある.電子が固体のターゲットに衝突すると、大量の光子が放射されます。また、ときどき暗い光子が生成されることもあります。
影の中
バージニア州ニューポート ニューズにあるトーマス ジェファーソン国立加速器施設の連続電子ビーム加速器施設 (CEBAF) は、まさにそのような固定ターゲット実験をサポートしています。 2010 年、CEBAF の A Prime Experiment に参加した物理学者は、証拠となる電子-陽電子対に崩壊する暗黒光子を探しましたが、成功しませんでした。昨年、Heavy Photon Search の物理学者は CEBAF を使用して再試行しました。将来の加速器実験では、物理学者は代わりに散乱電子を単純に追跡し、電子が暗い光子を放出するときに生じる電子の軌道の特徴的なねじれを探すかもしれません.
あるいは、WIMP 検出器と同様に、物理学者は地球の近くを漂うダーク セクターの粒子を検出しようとすることもできます。 WIMP は重いため、物理学者は液体キセノンなどの重い原子核の反動を調べることで、WIMP を探します。この手法は、ボウリングのボールからピンポン球が落ちるように重い原子核で跳ね返る、はるかに軽いダーク セクターの粒子には機能しません。
代わりに、物理学者は、おそらく既存のWIMP検出器に似た装置で、かすかな電子の反動を探すことができると、カリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所の理論家であるキャスリン・ズレックは述べています。あるいは、「超流動」ヘリウムに軽い原子核の極寒の浴槽を作り、衝突によって引き起こされる小さな量子振動を探すこともできます。別のオプションは、超伝導金属内の自由流動電子対の破壊を探すことです。光暗黒物質の粒子は WIMP よりも数が多いため、それらの検出器は WIMP 検出器よりもはるかに小型で安価になる可能性がある、と Zurek は述べています。 LZ には 7 トンの液体キセノンが含まれますが、明るい暗黒物質粒子の検出器の重さは 1 キログラムになると彼女は推定しています。
ワークショップの後、物理学者は、DOE が今後数か月にわたって検討するホワイト ペーパーにアイデアをまとめますが、1,000 万ドルが保証されるわけではないと警告します。エージェンシーが「シャベル対応」の実験、特にキンク軌道法によって暗黒光子を探す加速器ベースの取り組みを迅速に開始することを期待する人もいます。 「1,000 万ドルで、非常に優れた検出器を構築し、既存の加速器の隣に設置できます」と、UCI 理論家のティモシー・テイトは言います。実験に時間がかかるとしても、明るい暗黒物質を直接検出する技術を開発することを好む人もいます。 「この研究開発がプログラムの一部になることを心から願っています」と Zurek 氏は言います。
カリフォルニア州メンロパークにある SLAC 国立加速器研究所の理論家である JoAnne Hewett は、DOE が 1 つの実験だけでなく、ダーク セクターを調査するためのより包括的な 10 年から 15 年のプログラムを開始する機会をつかむことを望んでいると述べています。そのような実験は「非常に重要な範囲をカバーし、費用もかからない」と彼女は言う。 「それは本当に実験をしなければなりません。」
