ニュートリノ横丁の保管庫で暗黒物質を探す

オークリッジ国立研究所の科学者たちは、ニュートリノ検出器の感度を利用して、明るく照らされた地下廊下で暗黒物質を観察しようとしました。 チームが作業しているニュートリノ アレーは、強力な粒子加速器である核破砕中性子源の下にあります。 何年にもわたる理論計算の後、COHERENT チームは、宇宙の質量の最大 85% を占めると考えられている暗黒物質の観測に着手しました。 この実験により、チームは暗黒物質のグローバル検索を新しい方法で拡大することができ、暗黒物質粒子を捕捉する可能性を高めるために、より大きく、より感度の高い検出器を受け取る予定です。

暗黒物質と同じ謎のオーラを持っているものはほとんどありません。 名前自体が秘密を放ち、宇宙の影に隠されている何かを示唆しています。

科学者の共同チームと呼ばれる 筋の通ったケイト・シュルバーグ、芸術科学物理学の特別教授、フィリップ・バルボー、物理学の准教授、ポスドク研究員のダニエル・バーチーを含む、宇宙の影から暗黒物質をあまり魅力的ではない目的地、つまり明るく照らされた場所に持ち込もうとしました。 、窮屈な地下廊下。

ただし、普通のセラーではありません。 ニュートリノ横丁と呼ばれるオークリッジ国立研究所のエリアで作業しているチームは、通常、ニュートリノと呼ばれる素粒子に焦点を当てています。 それらは、星が死んで超新星になるとき、または地球に近いレベルで、粒子加速器での陽子の衝突の副産物として生成されます。

宇宙の物質の 85% を構成する目に見えないものである暗黒物質は、銀河の間の遠くに隠されているわけではありません。 科学者チームが彼女を影から救おうとしています。 クレジット: X 線: NASA/CXO/Fabian et al. ; ラジオ：Gendron-Marsolais et al. ; NRAO/AUI/NSF オプティカル: NASA、SDSS

ニュートリノ アレーが世界で最も強力な粒子加速器の 1 つであるオーク リッジの真下にあるのは偶然ではありません。 破砕中性子源（SNS）. ニュートリノ アレーには、ニュートリノが通り過ぎて衝突するのを監視するために特別に設計された検出器のコレクションがあります。

しかし、SNSプロセスの副産物はニュートリノだけではありません。 粒子加速器が陽子を衝突させると、暗黒物質 (悪役のお気に入りの反物質と混同しないでください) も生成されます。 何年にもわたる理論計算の後、COHERENT チームは、SNS の力とニュートリノ検出器の感度を利用して、ニュートリノ アレーの暗黒物質を監視することに着手しました。

「そして、私たちはそれを見たことがありません」と Schulberg は言います。 「もちろん、それを見ていればもっとエキサイティングだったでしょうが、実際に見ないことは大きな問題です。」

彼女は、暗黒物質がニュートリノ検出器によって検出されなかったという事実により、暗黒物質がどのように見えるかについての理論モデルを改善できると説明しました。

「暗黒物質が特定の特性を持っている場合、暗黒物質検出器がどのように反応するかを正確に知っているので、その特定の特徴を探していました。」

ケイト・シュルバーグ、共著者グレイソン・リッチ、フィリップ・バルボー。 クレジット: Long Li/デューク大学

問題のフィンガープリントは、ニュートリノ検出器内の原子核がニュートリノ (この場合は暗黒物質粒子) に衝突したときに跳ね返る方法です。

「氷の上でボウリングのボールに発射物を投げるようなものだ」とバーチー氏は語った。 彼の類推では、ボウリングのボールはニュートリノ検出器の原子であり、この実験では 14.6kg のヨウ化セシウム結晶でした。 「スリングと投げる力については、ボウリングのボールが接触したときの跳ね返りの高さで多くのことを知ることができます。」

暗黒物質に関しては、どんな情報も良い情報です。 本当のことは誰にもわかりません。 ほぼ 100 年前、物理学者は、宇宙に含まれるすべてが目に見えるものである場合、宇宙はそのように振る舞うことはできないことに気付きました。

「私たちは暗黒物質の海を泳いでいます」と、オークリッジ国立研究所のニュートリノ研究グループの責任者であり、研究の共著者であるジェイソン・ニュービーは述べています。 物理学者のコンセンサスは、暗黒物質が宇宙の質量の 85% を構成するということです。 宇宙の振る舞いを説明するには重力の影響を受けなければなりませんが、光や電磁波とは一切相互作用せず、暗く見えます。

Jason Newby と共著者の Yuri Efremenko は、Neutrino Alley で暗黒物質を探索するために使用される 14.6 kg の非常に小さなヨウ化セシウムニュートリノ検出器を運びます。 クレジット: Genevieve Martin/オークリッジ国立研究所、米国エネルギー省

「これは、互いに軌道を回る大きな銀河を観察することでわかりました。銀河が本来よりもはるかに速く回転していることがわかりました。これは、銀河が見かけよりも多くの質量を持っていることを意味します」と Birchi 氏は述べています。 「それで、そこに追加のものがあることを知っています。それらをどこで探すべきかを知る必要があるだけです。」

「ほとんどの場合、結果が得られませんが、壁にスパゲッティを使用するだけでなく、あらゆる可能性を排除し、戦略を立てて新しい領域に集中できるように、あらゆる場所に目を向けることが非常に重要です。 」とニュービー氏は語った。

ダニエル・ベルキクレジット: デューク大学

「私たちは暗黒物質に存在する可能性のあるあらゆるモデルに手を広げており、それは非常に強力です」と Schulberg 氏は述べています。

この成果はそれだけにとどまりません、と彼女は指摘します。この実験により、チームは新しい方法で暗黒物質の世界的な探索を広げることもできました。

「典型的な検出技術は、地下に潜り、非常に感度の高い検出器を構築し、暗黒物質の粒子が通り過ぎるのを待つことです」とBerchi氏は述べています。

問題？ 暗黒物質の粒子が空気中を静かに移動している可能性があります。 それも非常に軽い場合、検出可能な指紋を作成するのに十分なパワーで検出器に到達しない可能性があります。

COHERENT チームの実験装置は、この問題に対処しています。

「加速器に入ると、非常に高いエネルギーでこれらの粒子が生成されます」と Berchi 氏は述べています。 これは彼らに多くを与えます 重力 コアをヒットし、暗黒物質の信号を表示します。 “

ならどうしよう？ 設計図に戻ったわけではありません。 Neutrino Alley は現在、より大きく、より感度の高い検出器を受け取る準備をしています。COHERENT の洗練された検索基準と組み合わせることで、これらの悪魔のような粒子の 1 つを捕捉する可能性が大幅に向上します。

「私たちは、暗黒物質が存在する必要がある場所の入り口にいます」とビルチは言いました.

参考文献：D. Akimov et al 2023 年 2 月 3 日 フィジカルレビューレター.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803