この図は暗黒物質粒子を表しています。 オークリッジ国立研究所の科学者たちは、ニュートリノ アレーにあるニュートリノ検出器を使用して、これらのとらえどころのない粒子を観察しようとしました。
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使用して、地下の明るい廊下で暗黒物質を観察しようとしました。 チームが働くニュートリノ アレーは、強力な粒子加速器であるスパラレーション ニュートロン ソースの下にあります。 COHERENT チームは、何年にもわたる理論計算に続いて、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探索を新しい方法で世界規模に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、はるかに大きくて感度の高い検出器を受け取ることを計画しています.
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。
COHERENT と呼ばれる科学者の共同チームは、Kate Scholberg、Arts & Sciences Distinguished Professor of Physics、Phillip Barbeau、物理学准教授、ポスドク研究者 Daniel Pershey を含み、暗黒物質を宇宙の影からわずかに取り出そうと試みました。魅力的ではない目的地：地下にある明るく照らされた狭い廊下。
ただし、普通の地下室ではありません。 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に生成されるか、より現実的なレベルでは、粒子加速器での陽子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、銀河の間に隠されているだけではありません。 科学者のチームは、影からそれを取り出そうとしています。 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
偶然ではありませんが、ニュートリノ アレーは、世界で最も強力な粒子加速器の 1 つであるオーク リッジの核破砕中性子源 (SNS) の真下にあります。 ニュートリノ横丁には、ニュートリノが通過して衝突する様子を観察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。
ただし、ニュートリノは SNS の操作の唯一の副産物ではありません。 粒子加速器が陽子を衝突させると、暗黒物質 (映画の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。 COHERENT チームは、何年にもわたる理論計算に続いて、SNS のパワーとニュートリノ検出器の感度の両方を利用して、ニュートリノ アレーの暗黒物質を観測することに着手しました。
「そして、私たちはそれを見ませんでした」と Scholberg 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、実際に見られないことは大したことです。」
彼女は、暗黒物質がニュートリノ検出器によって観測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大幅に改良することができると説明しています。
「暗黒物質に特定の特徴がある場合、検出器が暗黒物質にどのように反応するかを正確に知っているため、その特定の指紋を探していました。」
ケイト・ショルバーグ、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) に衝突したときに反動する方法です。
「これは、氷の上でボーリングのボールに発射物を投げるようなものです」と Pershey 氏は言います。 彼の例えでは、ボウリングのボールはニュートリノ検出器に含まれる原子であり、この実験では 14.6 kg のヨウ化セシウム結晶でした。 「投射物とそれが投げられた力については、ボウリングのボールが接触したときにどれだけ反動するかによって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。 それが何であるかを本当に知っている人は誰もいません。 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に浮かんでいます」と、オークリッジ国立研究所のニュートリノ研究のグループリーダーであり、研究の共著者であるジェイソン・ニュービーは言いました。 物理学者の間のコンセンサスは、暗黒物質が宇宙の質量の最大 85% を占めるということです。 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、光や電磁波とは相互作用せず、暗く見えます。
ジェイソン ニュービーと共著者のユーリ エフレメンコは、ニュートリノ アレーで暗黒物質の探索に使用される、14.6 kg の非常に小さいヨウ化セシウム ニュートリノ検出器を保持しています。 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
「私たちは、大きな銀河がお互いの周りを回転しているのを見て、本来よりもはるかに速く回転していることを知り、見た目よりも多くの質量を持っていることを示唆しています」とPershey氏は言いました. 「それで、そこには余分なものがあることを知っています。それを探す場所を学ぶ必要があるだけです。」
「私たちはほとんど結果のない領域にいますが、」とニュービーは言いました。 「壁にスパゲッティ」のアプローチを使用するだけではありません。」
ダニエル・パーシー。 クレジット: デューク大学
「私たちは暗黒物質のどのようなモデルが存在できるかについて範囲を広げており、それは非常に強力です」と Scholberg 氏は述べています。
彼女は、成果はそれだけにとどまらないと指摘します。この実験により、チームは暗黒物質の世界的な探索を新しい方法で拡張す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、これらの暗黒物質粒子が通過するのを待つことです」と Pershey 氏は述べています。
問題？ 暗黒物質の粒子は、空気中をゆっくりと移動している可能性があります。 それらも非常に軽い場合、検出可能な指紋を作成するのに十分なエネルギーで検出器に到達しない可能性があります。
COHERENT チームの実験セットアップは、この問題に対処しています。
「加速器に行くと、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 Pershey 氏は述べています。 「そして、それは彼らにもっと多くを与えます 活力 核にノックインし、暗黒物質の信号を出現させます。」
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、はるかに大きく高感度の検出器を受け取る準備をしています。COHERENT の洗練された検索パラメータ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あるべき場所の玄関口にいます」とパーシーは言いました。
参照: 「SNS での COHERENT CsI 検出器による宇宙論的期待を超える Sub-GeV 暗黒物質の最初のプローブ」D. Akimov らによる、2023 年 2 月 3 日、 フィジカルレビューレター.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803