天文学者は暗黒物質が何であるかを知りませんが、それが宇宙のおよそ25％を占めることを知っています。ミネソタ州の坑道の地下深くにある強力な探知機は、謎の底に到達できるかもしれません。 Cryogenic Dark Matter Search IIプロジェクトは、弱く相互作用する大規模粒子（別名WIMPS）を検出しようとします。これらの理論上の粒子は通常、物質と相互作用しませんが、まれに発生する衝突が検出される場合があります。
「私たちが見ることができない宇宙のほとんどを構成している物質がそこにあるという事実から逃れることはますます難しくなります」とカブレラは言います。 「星と銀河自体は、この巨大な船のクリスマスツリーのライトのようなもので、暗くて光を吸収も放出もしません。」
ミネソタ州の坑道の地下深くに埋もれているのは、極低温暗黒物質探索II（CDMS II）と呼ばれるカブレラのプロジェクトです。カリフォルニア大学バークレー校の物理学者であるバーナードサドゥレット氏がこの取り組みのスポークスパーソンを務めています。 FermilabのDan Bauerがプロジェクトマネージャーで、Case Western Reserve UniversityのDan Akeribが副プロジェクトマネージャーです。 13機関の46人の科学者のチームがプロジェクトに協力しています。
WIMPをキャッチするには
この実験は世界で最も感度が高く、ダークマプターの構成要素について科学者が最も推測しているWIMPS（Weakly Interacting Massive Particles）と呼ばれる外来粒子を検出することを目的としています。その他のオプションには、ニュートリノ、アキシオンと呼ばれる理論化された粒子、またはブラックホールや茶色の矮小星などの通常の物質でさえ、見るにはあまりにも暗すぎます。
WIMPSは中性であると考えられており、陽子の質量の100倍以上の重量があります。現在、これらの素粒子は理論的にのみ存在し、観測されたことはありません。科学者たちは、彼らを捕まえるのは耐え難いほど難しいため、まだ見つけていないと考えています。 WIMPSはほとんどの問題とは相互作用しません–内気な粒子は私たちの体を通り抜けます–しかし、CDMS IIはプロジェクトの特別に作られた検出器の原子とのまれな衝突でそれらを捕らえることを目指しています。
「これらの粒子はほとんど散乱せずに地球を通過します」とカブレラは言います。 「私たちがイベントを見る可能性さえある唯一の理由は、非常に多くの粒子が[検出器に]入って散乱することが非常にまれだからです。」
検出器は、ミネソタ州のSoudan鉱山の地球の層の下に隠されており、検出器に衝突して暗黒物質と間違われる可能性のある宇宙線やその他の粒子からそれらを保護します。実際、CDMS IIに取り組んでいる科学者の戦いの半分は、WIMPS以外のすべてのものから可能な限り機器を保護し、暗黒物質とより平凡な粒子の違いを見分ける複雑なシステムを開発することです。
「私たちの検出器はホッケーパックの形をしたもので、絶対零度を50分の1度超えて生きる必要があります」と、このプロジェクトに取り組んでいるスタンフォード大学の大学院生Walter Ogburnは言います。 「物事をそれほど冷たくするのは難しい。」
そのために、機器はアイスボックスと呼ばれるキャニスターに囲まれ、6層の断熱材が並んでいます。これにより、検出器は非常に低温に保たれ、原子でさえ震えません。
検出器は、固体シリコンと固体ゲルマニウムの結晶でできています。シリコンまたはゲルマニウム原子は、完全な格子に静止しています。 WIMPSがクラッシュすると、フォノンと呼ばれる小さな熱のパケットが揺れ動いて放出されます。フォノンが検出器の表面に上がると、非常に敏感なタングステンの層に変化が生じ、研究者はこれを記録できます。検出器の反対側にある2番目の回路は、WIMPと検出器内の原子の衝突から放出される荷電粒子であるイオンを測定します。
「これらの2つのチャネルにより、異なる種類の相互作用を区別できます」とOgburn氏は言います。 「いくつかのことはより多くのイオン化を作り、いくつかはより少なくするので、その方法で違いを伝えることができます。
検出器を構築するには、複数の施設にいる科学者のチームが必要です。チームは外部の会社から水晶を購入し、スタンフォードの統合システムセンターの研究者は、検出器の表面に測定機器を作成します。カブレラの研究室に所属する別の大学院生であるマットパイル氏は、「マイクロプロセッサも超小型であるため、人々はマイクロプロセッサの製造に使用するものと同じものを使用しています」と語っています。
手がかりの塊
ニュートラリノスと呼ばれるWIMPSのサブセットは、超対称性によって予想される最も軽い粒子です。これは、すでに観察したすべての粒子のメイトを予測する理論です。 CDMS IIがニュートラリーノの発見に成功した場合、これは超対称性の最初の証拠になります。 「超対称性は、私たちの既存の粒子のパートナーである粒子が他のセクター全体にあることを示唆しています」とカブレラは言います。 「超対称性が非常にありそうに見える方法はたくさんあります。しかし、一致する[超対称]粒子ペアの直接の証拠はまだありません。」
WIMPSの相互作用が弱いため、暗黒物質の粒子は質量を持ち、重力の法則に従いますが、通常の物質のように銀河や星に集まりません。凝集するには、粒子が衝突してくっつく必要があります。しかし、WIMPSはほとんどの場合、互いにすぐに飛びます。さらに、WIMPSは中性であるため、原子を形成せず、正に帯電した陽子を負に帯電した電子に引き付ける必要があります。
「暗黒物質はすべてに浸透します」とカブレラは言います。 「原子のように崩壊することは決してありませんでした。」
暗黒物質が星や他のよく知られた天の天体を形成することはなかったので、科学者は長い間それが存在することを知りませんでした。 1930年代にスイス系アメリカ人の天文学者フリッツツヴィッキーが銀河団を観測したときに、その存在が最も早く示されました。彼は銀河の質量を合計し、クラスターを一緒に保持するために存在しなければならない重力を説明するのに十分な質量がないことに気づきました。他の何かが行方不明の質量を提供しなければならない、と彼は推論した。
1970年代後半に、アメリカの天文学者であるベラルービンは、天の川や他の近くの銀河の星の速度を測定しました。彼女がこれらの銀河の端に向かってさらに外を見ると、科学者が期待したように、星がゆっくり回転しないことがわかりました。 「それは意味がありませんでした」とカブレラは言います。 「あなたがそれを理解できる唯一の方法は、あなたがスターライトで見たものよりもはるかに多くの質量があったかどうかです。」
長年にわたり、暗黒物質の証拠が次第に蓄積されています。科学者はそれが何であるかをまだ知りませんが、それがどこにあり、どれくらいあるべきかについてより良い考えを持っています。 「さまざまな量を用意するための余地はほとんどありません」とカブレラは言います。
「これまでに興味深いシグナルのように見えるものは何も見たことがありません」と彼は言います。しかし、CDMS IIの研究者たちは調査を続けています。それで、他のグループもやってください。カリフォルニア大学ロサンゼルス校とイギリスのダークマターコラボレーションの物理学者によって実行された実験であるZEPLINは、イギリスのシェフィールド近くの鉱山でキセノンの液体槽内のWIMPを捕獲することを目的としています。サウスポールでは、ウィスコンシン大学マディソン校のIceCubeと呼ばれるプロジェクトが建設中で、氷に深く埋め込まれた光学センサーを使用して、WIMP消滅の特徴である高エネルギー粒子であるニュートリノを探します。
一方、CDMS IIは進化を続けています。その研究者たちは、WIMPSを発見する可能性を高めるために、ますます大きな検出器を構築しています。将来的に、チームは、1トンの検出器を構築し、WIMPSの最も可能性の高いタイプが存在する場合、それらの多くを検出できるようにすることを期待しています。 「私たちは現在、以前に比べて2倍以上のゲルマニウムのターゲット質量を使用してデータを取得しているため、現在、確実に新しい領域を探っています」とOgburn氏は述べています。 「しかし、さらに多くのことをカバーする必要があります。」
元のソース：スタンフォードニュースリリース
