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ダークマター探索の新たな実験開始…サウスダコタ州の地下にある最大の検出器で相互作用を監視

サウスダコタ州リードにあるかつての坑道を利用したサンフォード地下研究施設を歩く2人の研究者。2019年12月8日撮影。

サウスダコタ州リードにあるかつての坑道を利用したサンフォード地下研究施設を歩く2人の研究者。2019年12月8日撮影。

Stephen Groves/AP Photo

  • サウスダコタ州の古い金鉱を利用した研究施設で、ダークマターの探索を行う新たな実験が始まった。
  • 10トンの液体キセノンを用いた「LUX-ZEPLIN」は、地球で最も強力なダークマター検出器だ。
  • ダークマターが検出されれば、宇宙の基本的な謎が解明されるだろう。

古い金鉱の奥深く、液体キセノンで満たされた槽の中で、ダークマター(宇宙の全物質の約85%を占める謎の物質)の新たな探索が始まった。

ダークマターとは何か。それは誰も正確には分からない。ダークマターは遠くの銀河に重力で影響を与えており、それが測定できることから、科学者はその存在を知っている。だが直接検出されたことは一度もない。サウスダコタ州リードの地下で行われている新たな実験の目的は、他の素粒子との相互作用しているダークマターを捕らえることだ。

この実験は「LUX-ZEPLIN(LZ)」と呼ばれている。10トンの純度が高い液体キセノンが入った槽に取り付けられた検出器を用いて、ダークマターがキセノンの原子核に衝突したときに生じる極めて微弱なエネルギーの閃光を捉えようとするものだ。研究者らは新たな素粒子を探索する準備が整ったと2022年7月7日に述べている。

250人の科学者から成るLZチームの広報を担当するヒュー・リッピンコット(Hugh Lippincott)は、「今もダークマターは、素粒子物理学における最大の謎の1つだ」とライブ配信されたプレゼンテーションで述べている。

LZ検出器を組み立てるために並べられた光電子増倍管。

LZ検出器を組み立てるために並べられた光電子増倍管。

Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

8年間の準備期間の後、LZ検出器のテスト運転を63日かけて行ったところ、期待通りに動作したと研究者らは述べている。テスト結果は7月7日にウェブサイトで公開された。今年の夏の終わりか秋の初めごろに開始する最大1000日間の実験を行うための準備が現在進められている。2023年頃には最初の結果が得られるだろう。観測は最長で5年間続く可能性がある。

ダークマターを探すために液体キセノンを利用した装置はこれまでにもあったが、LZ検出器は最も大きく、感度も最もよいものだ。新たなデータによってダークマターの質量の範囲が絞り込まれ、探索する質量が小さくなったが、それでも十分な感度を有している。

もし新たな粒子が発見されれば、1970年代以来、我々の宇宙に対する理解を規定してきた「標準模型」を超える、より精密な新しい物理学につながる可能性がある。ダークマターが発見されれば、我々の宇宙に対する最も基本的な理解に革命が起こるだろう。

「誰もが『標準模型を超える物理』的な何らかの証拠を見つけようとしている。その最も確かな証拠となるのがダークマターだろう」とプロジェクトの物理学コーディネーターであるアーロン・マナレイセイ(Aaron Manalaysay)はInsiderに語っている。

「しかしそれが何であるのか、本当に分かっていない」

暗黒物質の検出には、極めて静かな環境が必要

サウスダコタ州リードのサンフォード地下研究施設で、地下に設置された検出器がダークマターとどのように相互作用するのか説明するアーロン・マナレイセイ。2019年12月8日撮影。

サウスダコタ州リードのサンフォード地下研究施設で、地下に設置された検出器がダークマターとどのように相互作用するのか説明するアーロン・マナレイセイ。2019年12月8日撮影。

Stephen Groves/AP Photo

弱相互作用質量粒子(WIMP)は、ダークマターの候補とされる理論上の素粒子で、「弱い相互作用」だけに関与し、ごくまれに目に見える物質の素粒子と衝突することがあると考えられている。これは有力な理論とされているが、WIMPはまだ検出されたことがない。LZプロジェクトでは主にこれを探そうとしている。

ただし、WIMPが空間を突き進んだとしても、相互作用が発生することはまれで、何かと衝突するのは、1000万光年の厚さの鉛にWIMPを打ち込んだとしても1回程度だと、リッピンコットは述べている。

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