ブログ

Jul 29, 2023

暗黒物質の粒子や目に見えないものの探索?

私たちの宇宙には、解決を待つ謎がたくさんあります。 現代物理学の最大の謎の 1 つは、暗黒物質粒子とニュートリノの性質です。 それらが構成されているという事実にもかかわらず、

私たちの宇宙には、解決を待つ謎がたくさんあります。 現代物理学の最大の謎の 1 つは、暗黒物質粒子とニュートリノの性質です。 それらが宇宙の重要な部分を構成しているという事実にもかかわらず、これらのとらえどころのない粒子についてはまだほとんどわかっていません。 しかし、画期的なテクノロジーの助けを借りて、私たちはその特性の理解に近づき、隠された宇宙への新しい窓としてそれらを使用できるようになりました。 この知識の探求は、宇宙についての理解を深めてくれるだけでなく、私たちの生き方に革命をもたらす可能性を秘めています。

ここでは、欧州委員会 (助成金番号 952480) によって資金提供され、5 つの研究機関からなるコンソーシアム - AstroCeNT/ニコラウス・コペルニクス天文学センター (ポーランドに最近設立された天体素粒子物理学のセンター・オブ・エクセレンス) によって実施された DarkWave プロジェクトがどのように実行されるかを見ていきます。 、Laboratoire Astroparticle & Cosmologie/CNRS、国立科学核研究所およびミュンヘン工科大学グランサッソ科学研究所 – この科学的取り組みに貢献しています。

現在の標準的な宇宙論モデルでは、暗黒物質粒子は宇宙の 27% を占めており、観察される銀河規模の構造やより大きな構造がどのように形成、進化、移動するかを決定しています。 通常物質の寄与率は 5%、そのうちニュートリノの寄与率は 0.3% です。 残りは暗黒エネルギーで満たされており、宇宙の膨張率に影響を与えます。

通常の物質とは異なり、ニュートリノと暗黒物質は電磁力に反応しません。 それらはただ暗いだけでなく、完全に透明です。光子を吸収、反射、散乱させません。 このため、それらが通常の物質に影響を与えることはまったく困難になっています。大量の宇宙ニュートリノと暗黒物質の粒子が、目立った影響を与えることなく地球を絶えず流れています。 それにもかかわらず、宇宙論の標準モデルと素粒子物理学の標準モデルはいずれも、暗黒物質粒子が存在する場合にのみ意味を持ち、ニュートリノと暗黒物質の特性は宇宙の進化を理解する鍵となります。 したがって、それらを観察するための検出器を構築します。

ニュートリノと物質の相互作用は検出可能な電荷を誘発しますが、それは非常にまれであるため、たとえ少数の相互作用を得るには多数の標的原子を観察する必要があります。 暗黒物質の場合、状況はさらに複雑です。暗黒物質がどのような粒子であるかさえまだわかっていません。

一部の素粒子物理学理論では、弱相互作用大質量粒子 (WIMP) が原子核上で散乱し、原子核に運動エネルギーを与える可能性があると予測しています。 この突然の余分な運動エネルギーの放出については、何トンもの標的原子を何年にもわたって観察する必要があります。 このような実験は、イタリアの INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) などの深層地下研究所で行われており、そこでは次に高感度の暗黒物質検出器である DarkSide-20k が建設されています。 自然の宇宙放射線を遮蔽するには数キロメートルの岩石が必要ですが、そうでなければ求められているエキゾチックな信号が完全にかき消されてしまいます。

これらの目に見えない暗黒物質粒子を検出することは、結局、物質内で間接的に誘発される光子を感知することになります。 WIMP とニュートリノの相互作用に敏感になるための最良の方法の 1 つは、フラッシュを発する物質であるシンチレーターを使用することです。 この光は、大きな検出器ボリュームを通過し、ターゲット ボリュームの周囲に配置された光センサーで検出されます。 液体アルゴンは優れたシンチレーターですが、その発光を感知することは別の課題です。 市販のセンサーのほとんどは、センサーが発する遠紫外線に反応しません。 いわゆる波長シフター (WLS) 材料を使用して可視光に変換する必要があります。 次世代の暗黒物質およびニュートリノ検出器の課題の 1 つは、WLS および光センサー技術を 100 平方メートル以上にスケールアップすることです。 DarkWave プロジェクトは、光の生成、収集、検出というこの課題の重要な側面に取り組んでいます。

生成される光の量を最大化するために、特別に精製された液体アルゴンが使用されます。 DarkSide-20k 検出器に充填する前に、アルゴンはサルデーニャに最近オープンした高さ 350 メートルの極低温蒸留塔が建設中のアリア施設で精製されます。 あらゆる単一の光子が重要であるため、検出器の壁の裏地には高効率の WLS と反射材の組み合わせが使用されます。 メインの WIMP 検出器を囲み、自然放射線バックグラウンドを抑制する拒否検出器は、200 平方メートルの表面積を持っています。 AstroCeNT が主導する広範なテストとプロトタイピング、およびグランサッソ、チューリッヒ大学、CERN での液体アルゴン中での測定を経て、通常はビール瓶などの製造に使用される一般的なプラスチックであるポリエチレン ナフタレート (PEN) が WLS として選択されました。拒否権のために。 PEN の効率は専用材料の効率より低いですが、低コストと既存の工業用大面積製造設備によってそれを補っています。