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2026-01-14 00:07:00
マハパトラと彼の共同研究者は、国際的な TESSERACT コラボレーションとも協力しています。このコラボレーションは、1 電子ボルトの 3 分の 1 未満のエネルギー変化を感知できるほど高感度の検出器を構築しています。彼らの最新の研究は、 応用物理学レターは、これらの機器の構築に使用されたまさにシリコンが、静かにその探索を妨害する可能性があることを示しています。
マハパトラは、今日の宇宙観を象の一部分だけに触れることに例えています。 「それは、尻尾を触るだけでゾウを表現しようとするようなものです。私たちは何か巨大で複雑なものを感じますが、把握しているのはそのほんの一部だけです。」その欠けている部分には暗黒物質と暗黒エネルギーが含まれており、これらを合わせて存在するすべてのものの約 95% を占めます。ダークマターは銀河を結びつけ、ダークエネルギーは宇宙をより速く膨張させます。
実験素粒子物理学者のルパック・マハパトラ博士は、SuperCDMS 検出器を持っています。テキサス A&M 大学で製造されたこの高感度デバイスは、暗黒物質の探索を深めており、量子コンピューティングへの応用の可能性を秘めています。 (クレジット: Laura McKenzie/テキサス A&M 大学マーケティングおよびコミュニケーション部門)
シリコン検出器が目に見えないものを追跡する仕組み
「デバイスをテストするために、私たちのチームは青色レーザー光のパルスをデバイスに照射しました。各光子は2.755電子ボルトのエネルギーを運びました。ほとんどの光子はシリコンに衝突し、そのエネルギーが両方のセンサーチャネルに均等に広がりました。一部の光子はアルミニウムのフィンに衝突し、一方のチャネルのみを点灯させました。これらのテストは、薄い1ミリメートルのシリコン検出器が258.5ミリ電子ボルトという世界最高レベルのエネルギー分解能に達することを示しました。」と彼は続けた。
驚きは、研究者らが 2 つのほぼ同一の検出器を比較したときに起こりました。 1 つは厚さ 1 ミリメートルのシリコンを使用し、もう 1 つは 4 ミリメートルのスラブを使用しました。両方とも同じ極低温システムで 12 日間稼働しました。より厚いデバイスは、約 4 倍の誤った信号とバックグラウンド ノイズを生成しました。そのスケーリングは、問題が表面のセンサーではなく、バルクシリコンに起因していることを示しました。
テキサス A&M TRIGA 原子炉で低エネルギーニュートリノを探索するために使用される MINER 検出器。このサファイア検出器は、暗黒物質の探索と原子炉ニュートリノの検出の両方に使用でき、新しい物理学の証拠を提供するだけでなく、核不拡散も可能にします。 (クレジット: Laura McKenzie/テキサス A&M 大学マーケティングおよびコミュニケーション部門)
クリスタル内部の振動の嵐
減衰はべき乗則に従い、指数は 0.635 に近づきました。このパターンは、検出器が室温にあるときに結晶内部の欠陥がエネルギーを蓄積したことを示唆しています。冷却されると、それらの欠陥はゆっくりと緩和し、フォノンが何日もかけて爆発するにつれてエネルギーを放出します。
本物に見える偽りの出来事
ノイズフロアを超えると、検出器は低エネルギー過剰として知られる実際のバックグラウンドイベントも検出しました。いくつかのイベントは 1 つのチャンネルに到達し、メタル フィルムから発生しました。他のものは、両方のチャネル間でエネルギーを共有し、シリコン内でのレーザー光子の挙動を一致させました。これらの共有イベントは厚さによっても変化するため、より厚い検出器は単位質量あたり約 4 倍多くのイベントを生成しました。
TESSERACT プロジェクト用のさまざまなデザインのチップが含まれたウェハー。 (クレジット: Laura McKenzie/テキサス A&M 大学マーケティングおよびコミュニケーション部門)
低エネルギーでは、フォノンノイズと同様に、これらの共有イベントの割合は時間とともに低下しました。より高いエネルギーでは、レートはより安定したままであり、これはより大きなバーストはよりまれであるという考えと一致します。これらのデータを総合すると、ノイズと誤ったイベントの両方の原因としてシリコン内部の欠陥が指摘されました。
なぜ今、素材自体が重要なのか
マハパトラ氏の以前の SuperCDMS 実験での研究は、新しい検出方法が暗黒物質について新たな窓を開く方法を示しました。 2014 年、彼のチームは、科学者がより軽い暗黒物質候補を調査できるようにする電圧支援熱量イオン化検出の導入を支援しました。 2022 年には、直接検出、間接探索、衝突型加速器実験が連携して機能する必要がある理由を示す研究を共同執筆しました。 「単一の実験ですべての答えが得られるわけではない」とマハパトラ氏は指摘する。 「全体像をつなぎ合わせるには、さまざまな手法間の相乗効果が必要です。」
新しい発見により、新たな層が追加されました。完全なシールドでも、検出器自体の内部で発生するフォノンを阻止することはできません。シリコンの欠陥、転位、または過去の放射線による損傷はすべて、後で振動として逃げるエネルギーを閉じ込める可能性があります。研究者がこれらの欠陥を制御する方法を学ぶまで、シリコンは静かではあるが頑固な偽信号の発生源であり続けるでしょう。
検出器を取り付ける大学院生（左からキース・ハンター、ベイリー・ピッカード、マフディ・ミルザハニ）。 (クレジット: Laura McKenzie/テキサス A&M 大学マーケティングおよびコミュニケーション部門)
研究の実際的な意味
これらの結果は、次世代の暗黒物質検出器と量子コンピューターの構築に関する科学者の考え方を変えます。この研究は、シリコンの欠陥が独自のバックグラウンドノイズを生成することを示すことで、新たな設計の課題を指摘しています。
量子コンピューティングの場合、浮遊フォノンが少ないほど、量子ビットの寿命が長くなり、マシンがより安定する可能性があります。どちらの分野でも、素材をより深いレベルで理解することで、より優れたパフォーマンスと新しい発見が得られる可能性があります。
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