暗黒物質を狙う7,000トンの巨人

1月 10, 2024

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ピーター・レイ・アリソン著

原子より小さく、通常の物質とほとんど相互作用せず、存在すらしない可能性のあるものをどうやって見つけるのでしょうか?答えは、あなたが大きくなるということです。本当に大きいです。

同じ名前のギリシャの巨人のように、ATLAS は巨大な大きさの物体です。その名前は「A Toroidal LHC Apparatus」（史上最悪の頭字語の 1 つ）を表していますが、神話上の対応物が空を永遠に保つと非難されていたのに対し、この ATLAS は大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の一部を形成する素粒子検出器です。 ) CERN で。

より遠くを見るために徐々に大きな望遠鏡が必要になるのと同じように (アレシボ天文台の大きさを見てください)、宇宙の亜原子レベルを観察するには、より大きな検出器を構築する必要もあります。 ATLASの場合、直径25m、長さ44m（中型テラスハウス27棟が余裕で収まる大きさ）で、理論上の暗黒物質の存在を検出・確認するためのものである。

ATLAS がその巨大な栄光に満足しているわけではありません。最近アップグレードされた LHC は安定性と信頼性が向上しており、現在では毎秒 10 億回の陽子と陽子の衝突が発生しています。そのため、ATLAS 実験では、予想の 2 倍である 1000 兆回を超える粒子衝突が収集されました。このデータ収集速度の増加は、来年 ATLAS をアップグレードする必要があることを意味します。

では、なぜ私たちは暗黒物質に興味を持っているのでしょうか?

私たちが暗黒物質にこれほど興味を持っている理由は、目に見える宇宙、つまり私たちが見て物理的に触れることができる宇宙は、実際に存在するもののほんの一部しか占めていないからです。私たちの目に見える通常の（バリオン）物質は、宇宙のわずか 4% しか構成されていないと概算されています。暗黒物質は 23% を占め、残りは暗黒エネルギーで構成されていると考えられています。

暗黒物質は、オランダの天文学者ヤコブス・カプテインによる銀河の回転の観察の結果として、約100年前に初めて仮説が立てられました。銀河の研究により、宇宙からはかなりの量の物質が失われたことが明らかになりました。本質的に、当初考えられていたよりもはるかに多くの物質が存在しない限り、宇宙はそのままの構造にはなりません。それか方程式が間違っていたかのどちらかです… claudia_marcelloni_2

暗黒物質と暗黒エネルギーは、文字通り暗いまたは黒いからではなく、私たちが見ることができないためにそう呼ばれています。ダークマターは、目に見える宇宙と限られた方法でのみ相互作用する亜原子粒子で構成されていると考えられていますが、それでも宇宙全体に重大な影響を与えます。

それは私たちの宇宙の理解に信じられないほどの影響を与えます。

暗黒物質に関する仮説が何度も裏付けられてきたことを考えると、唯一の納得できる説明は、暗黒物質がまだ検出されていないということです。暗黒物質は信じられないほど小さく、微小な重力を持っていますが、目に見える物質に比べて非常に豊富であるため、宇宙の理解に信じられないほどの影響を及ぼします。

暗黒物質の存在がなければ、回転角度や動径速度（どのくらいの速さで回転するか）の観点から見て、銀河はこのように形成されなかったでしょう。最近発見されたドラゴンフライ 44 (SF 番組の素晴らしい名前) は、天の川銀河の暗黒の双子です。この「幽霊」銀河は、私たちの銀河とほぼ同じ質量を持っていますが、星の数と構造の点で反対です。マキシミリアン・ブライス

暗黒物質の重力の累積効果により、光を偏向させることができます。これは重力レンズとして知られる効果です。遠くの銀河からの光に対する重力レンズ効果を観察することで、科学者や天文学者は宇宙内の暗黒物質の分布を理解することができます。

「暗黒物質の特徴は、たとえそれが見えなくても、依然として重力の影響があるということです」とシェフィールド大学のダビデ・コスタンツォ教授は説明します。「つまり、もしその塊があったとしても、（重力によって）引き寄せられるでしょう。」

ATLAS を方程式に組み込む

現時点では、暗黒物質を直接検出して測定することはできませんが、検出できるのは、暗黒物質と可視物質との相互作用です。これらの観測を通じて、また宇宙背景のエントロピーを測定することによって、どのくらいの量の暗黒物質が存在するかを推測することができます。

また、暗黒物質が他の素粒子とどのように相互作用するかを検出することもできます。これらの相互作用を通じて、暗黒物質の存在を決定することができます。この相互作用がどのように検出されるかの例の 1 つは、ATLAS 実験によるものです。クラウディア_マルセローニ_3

これは、LHC が 0.999999990 c の速度で移動する 2 つの粒子を衝突させる点を監視することによって動作します。これは、光の速度より約 11 km/h (時速 7 マイル近く) 遅い、またはスタートレックのワープ係数よりわずかに遅いです。 1. 結果として生じる衝突により、最大 13TeV (1.3×10 13 V、または 13 兆電子ボルト) が発生します。

結果として生じる衝突により、一方向に発射される 1 つの亜原子粒子と、反対方向に発射される 2 番目の暗黒物質の粒子が生成される可能性があります。

衝突の結果生成される粒子を検出するために、衝突器の周囲には ATLAS 検出器の複数の層があります。これらの各レイヤーは、衝突によって作成されたさまざまなタイプの粒子を捕捉および/または検出することを目的としています。

ATLASは鉛と鉄を使用しています。金は鉛よりもはるかに密度が高いので良かったのですが、少し高価になる可能性があります。

ATLAS 実験の最内層はシリコン検出器で構成されており、規模がはるかに大きいことを除けば、デジタルカメラで使用されるものと同じです。 ATLAS の外層は高エネルギー粒子を捕捉することを目的としており、大量の高密度物質の使用が必要です。この場合、ATLAS は鉛と鉄を使用します。金は鉛よりもはるかに密度が高いので良かったのですが、少し高価になる可能性があります。

「LHCで検出されるのはビッグバンからの暗黒物質ではなく、衝突の結果として生成される新たな暗黒物質です」とコスタンツォ教授は説明する。「問題は、それらを製造した後、それを検出できないことです。私たちがそれらを生成するとき、他の粒子も生成し、何かが欠けているために[暗黒物質]を生成したと推測します。」

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ATLAS が非常に大きい理由は、非常に正確な測定を実行するためであり、そのためには複雑なエンジニアリングが必要です。これに加えて、ATLAS のケーシングは、宇宙線、特にミュー粒子がセンサーに干渉するのを防ぐために、実験装置を宇宙線から保護します。ヨークシャーのブルビー鉱山でも、地下 1 km で暗黒物質の研究が行われ、宇宙線の干渉から鉱山が守られています。

CERN は暗黒物質の研究を通じて、徐々に小さな粒子を検出できる新しいセンサーと手段を開発しました。「私たちは多くの分野で大きな進歩を遂げてきましたが、どんな新しい発見がもたらされるかわかりません」とコスタンツォ教授は言います。「電子が発見されたときは大丈夫でしたが、今ではすべてが電気に基づいています。」

関連項目を参照 Microsoft はがんを再プログラミングしている人間の介入が新たな地質学的時代を引き起こした核融合の未来を工学的に扱うさまざまな角度からいくつかの異なる実験が行われているため、暗黒物質を検出するのは時間の問題でしょう。次世代の暗黒物質実験の最大のものは、LUX-Zeppelin (液体希ガスにおける大型地下キセノンおよびゾンエド比例シンチレーション) であり、サウスダコタ州の地下深くで実施されます。

「ヒッグス粒子と同様に、私たちはそれが存在することを知っていましたが、その存在を確認するまでに時間がかかりました」とコスタンツォ教授は結論づけています。「暗黒物質のせいで、私たちはいくつかの角から迫りつつあり、今後10年以内にそれが起こることを願っています。」

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写真：CERN（クラウディア・マルセローニ、マクシミリアン・ブライス）