20 年前、イタリアの地下にあるグラン サッソ国立研究所で暗黒物質 (DAMA) 実験を行っている物理学者は、暗黒物質の粒子を検出したと発表しました。現在、DAMA の論争の的になっている主張を直接テストするために設計された最初の実験が、最初のデータを公開しました。韓国で COSINE-100 検出器を使用している物理学者は、暗黒物質の兆候は見られないと述べていますが、DAMA の主張を実際に解決するには、さらに数年かかるでしょう。
「彼らはまだ DAMA 信号を除外することはできません」と、ミシガン大学 (アナーバー) の理論物理学者で、どちらの実験にも関与していないキャサリン・フリースは言います。 「しかし、エキサイティングなことは、彼らがそれを除外できるということです。」または、可能性は低いかもしれませんが、確認してください。
天体物理観測では、目に見えない暗黒物質が全物質の 85% を占めていることが示されています。私たち自身の銀河は、巨大な雲の中にあると考えられています。しかし、科学者たちはまだ暗黒物質が何であるかを知りません。何十年もの間、実験者は浮遊するその粒子を探してきましたが、ほとんど役に立ちませんでした。暗黒物質を探すために、物理学者は超高感度検出器を地下深くに配置し、宇宙線やその他のバックグラウンド放射線から保護します。
しかし、1998 年以来、DAMA コラボレーションはまさにそのようなシグナルを見たと主張しています。チームの検出器は、タリウムをドープしたヨウ化ナトリウム結晶で構成されており、ある種の粒子 (通常の物質または暗黒物質) が物質内の原子核に衝突して飛ばすと、閃光を発します。 Freese と同僚が 1986 年に予測したように、DAMA チームは、暗黒物質の強い兆候である可能性がある衝突率の年次変動を確認しました。
私たちの天の川銀河が暗黒物質に覆われているとすれば、太陽が銀河の中心を回るとき、定期的に暗黒物質の粒子の風に巻き込まれるはずです。さらに、地球が太陽の周りを回っているとき、地球はその風に出入りすることを交互に繰り返す必要があり、1 年を通して暗黒物質の衝突率が増減します。暗黒物質が弱相互作用大質量粒子 (WIMP) として知られる理論家の好みの候補粒子で構成されている場合、信号は 6 月にピークに達し、12 月に底を打つはずです。これはまさに DAMA が見ているものです。
他のいくつかの検出器は信号を確認できませんでした。ただし、これらの検出器は、ターゲット核にキセノン、シリコン、ゲルマニウムなどのより重い元素を使用しているため、DAMA の研究者は、この不一致を説明できる可能性があると述べています。 「これらの結果をそのまま受け取っても、実験的および理論的な不確実性が大きいことを考えると、互換性の余地があるかもしれません」と、ローマ トル ヴェルガタ大学の物理学者であり、DAMA チームのリーダーであるリタ ベルナベイは言います。
混乱を解決するために、COSINE の研究者は、タリウムをドープしたヨウ化ナトリウム結晶も使用する検出器を構築しました。 「私は DAMA の結果をテストするためにこの分野に入りましたが、他の人が行っていないことに驚きました」とイェール大学の物理学者であり、50 人のメンバーからなる COSINE チームの共同スポークスマンである丸山玲奈は言います。 2016 年以来、106 キログラムの検出器は、韓国の東海岸にある襄陽地下研究所の地下 700 メートルでデータを収集しています。そして、その最初の 59.5 日間のデータは暗黒物質の兆候を示さなかった、と COSINE 研究者は今日 Nature で報告している .
では、COSINE の結果は DAMA の主張を覆すのでしょうか?そうではありません。 COSINE の研究者は、わずか 2 か月のデータで、明確な年間変動を探すことができず、外部放射線によって作成された背景の上にある過剰なイベントを探すだけでした。過剰がないということは、DAMA が最も単純なタイプの WIMP を見ている可能性を排除する、と丸山は言う。しかし、ベルナベイは、テストが弱すぎてそれを行うことができないと言います。 「背景のモデリングは非常に不確実な手順であり、低エネルギーでは一般的に信頼できません」と彼女は言います.
しかし、Freese は、WIMP の最も単純なバージョンは、DAMA 自身のデータによって既に除外されていると述べています。議論は難しいが、WIMP の最も単純なバージョンは、原子核のスピンに依存しない、特に単純な方法で原子核と相互作用すると考えられている。その場合、DAMA の年間サイクルのピークと谷は、エネルギーの低いイベントのために 6 か月ずれるはずです、と Freese は説明します。ただし、DAMA が今年初めに発表した低エネルギー データは、シフトされていない振動を示しています。フリース氏によると、DAMA は WIMP のより複雑なバージョンまたは他の種類の暗黒物質粒子を検出している可能性があります。 Bernabei は、DAMA はまだ WIMP の最も単純なバージョンを見ている可能性があると主張しています。
DAMA の主張を実際にテストするには、COSINE の研究者が DAMA と同じ年次変動を探す必要があることに全員が同意しています。丸山氏によると、COSINE はすでに 2 年分のデータを保有しており、そのテストを行うにはさらに 3 年かかるという。他の 2 つの実験では、ヨウ化ナトリウム検出器を使用して DAMA の結果に直接挑戦しようとしています。
最終的に、すべての物理学者は暗黒物質を検出したいと考えています。そこで丸山さんは、DAMA信号を「再現したい」と語る。 COSINE がそれを行うことができない場合、Freese 氏は、「何が DAMA 信号を作成したのかを知ることはできないかもしれません」と述べています。
*訂正、12 月 7 日午前 11 時 27 分: Freese によれば、DAMA の結果は WIMP の最も単純なバージョンのみと一致しており、以前に示唆された仮想粒子のすべてのバージョンとは一致していないことに注意して、この話は修正されました。
*訂正、12 月 10 日午後 12 時 50 分: このストーリーは、丸山の COSINE-100 データの解釈をより正確に反映するように変更されました。
