大型地下キセノン実験に参加している科学者たちは最近、暗黒物質の兆候は見つからなかったと発表した。結果は期待通りではなかったものの、宇宙で最も謎めいた粒子を追い求める決意はより一層固まったようだ。
実験の第2段階はLUX-ZEPLIN（LZ）と呼ばれ、今後10年間に開始される予定で、より大きく、より高性能な検出器が備えられる予定だ。
弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）は、米国サウスダコタ州ブラックヒルズ地下1マイル（約1.6キロメートル）に設置されたLUX検出器では検出されませんでした。しかし、発見されたのは大量のバックグラウンドノイズでした。
このような実験は「成功や失敗の問題ではなく、むしろ進歩的な性質のものだ」と、LUX実験に携わり、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの講師でもある素粒子物理学者のチャムカウル・ガーグ氏はザ・レジスター紙に語った。
「最速の車を作るようなものです。音速の壁はまだ破っていませんが、どんどん速くなっています」とガグ氏は語った。
LUX検出器。写真提供：マシュー・カプスト/サンフォード地下研究施設
弱虫に注意
結果は、LUX実験がうまく機能しており、この技術により研究者は期待を上回るレベルの感度を獲得したことを示しています。
LUX検出器は、370kgの冷たい液体キセノンが満たされた大型の円筒形時間投影チャンバーで、あらゆるWIMPと相互作用する準備ができています。しかし、キセノンはWIMPだけに反応するわけではないため、研究者は放射性崩壊によって放出された粒子や宇宙線が液体に衝突した際に生成されるあらゆるデータを精査する必要があります。
科学者たちは、背景粒子間のWIMP相互作用を特定するための巧妙な手法を考案しました。WIMP信号はキセノン原子の原子核と相互作用する点で独特ですが、光子、中性子、ミューオン、ベータ粒子といった他の背景粒子はキセノン原子の電子と相互作用します。
WIMP衝突から伝わるエネルギーは、キセノン原子核を髪の毛一本分ほど押しのけます。しかし、この小さなエネルギーの衝撃は、キセノン原子核を電離点まで励起するのに十分であり、光と電荷の閃光を放出します。
フラッシュからの光子は検出器の両端にある光電子増倍管によって捕捉され、S1信号として記録されます。電子は電界によって制御され、上方に移動し、キセノンガス中にパルスを発生させます。このパルスはS2信号として記録されます。
WIMPとの相互作用で生じた電子はキセノンイオンとすぐに再結合するため、遠くまで移動しません。しかし、光子は検出器に到達する可能性が高く、WIMP信号はより強いS1信号を持つ可能性が高くなります。
背景信号はより強いS2信号を生成する可能性が高くなります。WIMPとは異なり、背景信号の相互作用率ははるかに高く、多重衝突イベントが発生する可能性があります。多重衝突イベントでは、背景粒子がキセノンタンク内で跳ね回り、衝突ごとにより多くの電子が放出されます。
S1 信号と S2 信号の比率により、科学者は WIMP と背景粒子を区別することができます。
キセノンをもっとください
科学者たちは銀河の回転曲線から、銀河内に存在するはずの暗黒物質の失われた質量と密度を推定することに成功した。
銀河団。写真提供：NASA、ESA、J. Lotz（STScI）
おそらく何百何千もの WIMP が 1 立方センチメートルの空間を流れていると思われるが、科学者たちはまだ 1 つも見つけることができていない。
幽霊粒子が通常の物質と相互作用することは極めて稀です。ガグ氏はThe Register紙に対し、WIMPとの相互作用は1世紀あたり1キログラムあたり約1回程度しかないと語りました。そのため、WIMPを発見する確率を高める方法の一つは、実験で使用するキセノンの質量を増やすことです。
改良されたLZフェーズでは、時間投影室に7トンの液体キセノンが使用され、LUXより20倍優れていると、LZの研究員でシェフィールド大学の講師でもあるヴィタリー・クドリャフツェフ氏がThe Registerに語った。
より大きな水槽で検出器を囲み、中性子やその他の背景粒子を除去することで、実験は WIMP に対してさらに敏感になります。
価値ある目的
暗黒物質の探索は非常に競争の激しい分野です。「（成功すれば）ノーベル賞級の成果です」とガグ氏は述べました。「しかし、メダル以上の価値があります。宇宙に対する私たちの理解を根本的に変え、素粒子物理学を標準模型を超えるものにするでしょう」と付け加えました。
宇宙に関する私たちの理解は、現時点では非常に乏しい。宇宙の5%未満が通常の物質で、4分の1が暗黒物質、残りが暗黒エネルギーで構成されている。宇宙の約95%は未だに隠され、未知のままである。
暗黒物質の発見は、重力波の検出以上に科学界に衝撃を与えるだろうとクドリャフツェフ氏は信じていた。
「重力波は、真に優れた理論の裏付けとなりました。しかし、暗黒物質の発見は、それが何なのかさえ分かっていないため、さらに重要な意味を持つと考えられます」とクドリャフツェフ氏はThe Registerに語った。®
