世界最高の暗黒物質検出器を実行するのはどんなものか

サウスダコタの真ん中にある地下の深い地球で、地球上で最も敏感な暗黒物質検出器は静かに待っています。これはLux-Zeplin（LZ）実験であり、その中心部は液体キセノンの大きなタンクです。ロンドン大学の物理学者のシャンカウル・ガグは、実験に取り組んでいる巨大な科学的協力のリーダーの一人です。その使命は、私たちがまだ特定していない宇宙の問題の85％を見つけることです。

今日、GHAGと彼の仲間のハンターは、このとらえどころのない物質を探すためのターニングポイントのようなものに立っています。 XLZDと呼ばれる検出器を構築するゆるい計画があります。これは、LZのサイズの数倍であり、さらに敏感です。しかし、これらの両方が商品を嗅ぎ分けることに失敗した場合、物理学者に暗黒物質が作られていると思うものを再考するように強制されます。 GHAGが言うように、それは次世代の暗黒物質検出器が地下の巨人ではなく、驚くほど小さくて謙虚な問題ではないことを意味するかもしれません。実際、彼は今年10月にニューサイエンティストライブでの彼の今後の講演に先立って説明しているように、彼はすでにそのようなプロトタイプを構築しています。

Leah Crane：最初に、なぜ暗黒物質がそれほど重要なのですか？

Chamkaur Ghag：一方で、粒子と原子、粒子物理学が物質の成分がどのように結合するかについて私たちに語るすべてのものがあります。一方、私たちは重力を理解しています。これはすべて良いように思えるかもしれませんが、重力と粒子物理学をまとめようとすると、大きな問題があります。私たちの銀河はここにいるべきではありません。それは、私たちが見ることができない物質から来ると思われる重力と一緒にそれ自体を保持しています。そして、それは単なるちょっとした接着剤ではありません。宇宙の問題の約85％は、このいわゆる暗黒物質です。

なぜ私たちは長い間それを探していて、何も見つけられなかったのですか？

現時点では、暗黒物質はおそらく私たちがウミスと呼ぶもの、または初期の宇宙で生まれた弱い相互作用する大規模な粒子で作られていると考えています。もしそうなら、それは他の粒子と非常にめったに相互作用することはほとんどなく、それでも非常に弱い署名を与えます。したがって、巨大な検出器が必要です。それらが大きくなればなるほど、暗い物質粒子が通過する可能性が高くなります。そして、彼らは本当に静かでなければならないので、彼らはそれが相互作用した場合、暗黒物質に当たる粒子の小さな反動に敏感になります – わずかな振動でさえ信号をマスクすることができます。

私たちは、暗黒物質の理論的位相空間について話します。つまり、このようなものが持つ可能性のある質量と特性の範囲を意味します。私たちはすでにこのスペースの一部を除外しています。そのため、約束された土地に近づくには、ますます大きな検出器を使用して地下に深く入り続けなければなりません。暗黒物質の粒子がまだ存在できる理論的位相空間です。

それは途方もなく骨の折れる工芸品です。検出器を使用すると、背景ノイズがほとんどないことを確認する必要がありました。たとえば、ほとんどの金属は少量の放射能を生成するため、建設資材の問題を最小限に抑えるために一生懸命働かなければなりませんでした。 LZは最も低いバックグラウンドノイズであり、地球上のほとんどの無線純度計器です。

それで、LZは私たちが今持っている最も敏感な検出器です – それはどのように機能しますか？

基本的に、それは幅数メートル、高さ数メートルの液体ゼノンを含む数メートルのダブル壁のサーモフラスコです。このフラスコでは、キセノンは非常に反射的なバレルにあり、上部と下から光センサーによって見られます。そして、最後のタッチがあります。このバレルに電界があります。ウィンプが入ってゼノン核にぶつかると、小さな光の光の閃光が生成されます。しかし、電界があるので、電子を引き離します [freed up in the collision] 核から、また別の明るいフラッシュを生成します。

これは、私たちの検出器で起こるものはすべて、2つの光信号を与えてくれることを意味します。それが起こった場所は、イベントの位置を教えてくれます。そして、プライマリフラッシュからの光の量と二次フラッシュは、これが入って核にぶつかったか、ガンマ線と言うような他の何かであるかどうかの微物理学を教えてくれます。宇宙線から保護するためにすべてマイルの地下にあり、それから岩自体からそれを保護するために水槽にそれを持っています。

それは非常に複雑な努力です。それを機能させるのが最も難しい部分は何でしたか？

Luxと呼ばれる同様の小さな前任者の実験があり、楽器を10倍敏感にするために必要なことを知っていました。実際にそれをすることは、満足していれば挑戦的でした。私にとって、最も難しいのは、楽器が必要なほど清潔で静かであることを確認することでした。 LZを服用して展開すると、それは巨大で、サッカーのピッチサイズのエリアであり、その表面全体で1グラムのほこりを耐えることしかできません。

これまで地下にあるこの超クリーン検出器で働くのはどんな感じですか？

かつての金鉱山なので、この非常に工業的な環境があります。あなたはあなたのハード帽子をかぶって、あなたは1マイル下ります、そして、それからラボへのトレッキングが少しあります。ラボに入ったら、自分がどこにいるかを忘れることができます。それから、あなたはクリーンルームの服装に興味があり、それはコンピューターと機器などです – それは窓のない単なるラボです。しかし、降りる旅は一種の異世界です。

これまで、Wimpsは暗黒物質の支配的な候補者でした。しかし、まだ誰もそれらの証拠を見つけていないので、どの時点でウミプスは死んでいると言いますか？

私たちが計画したより大きな検出器であるXLZDが構築されており、それらを見ていないポイントに到達した場合、その楽器の範囲を超えて探索しなければならない場合、Cookie-Cutterの標準WIMPが存在することは困難になります。しかし、その時点まで、彼らはまだ生きています。私たちがこれまでに探求したものとXLZDが得る場所との間のその領域、それは楽しいものです。

暗黒物質のために完全に異なる、はるかに小さな検出器を開発しました。それについて教えてください。

私たちが持っているのは、150ナノメートル幅のガラスビーズで、レーザーで浮上して、非常に敏感な力検出器として機能します。いいことは、3つの次元のいずれかで動くかどうかがわかるということです。ですから、「OK、何かが特定の方向からそれをpingした」と言うことができます。それは素晴らしいことです。なぜなら、それは今、あなたが地下の材料からの放射性の崩壊のように、あなたのすべての地上の背景を排除し始めることができることを意味するからです。

これは、LZのような巨大な検出器からのかなり離れています。建物の背後にある理論的根拠は何ですか？そして、私たちはより小さな検出器を見るでしょうか？

大規模な地下実験は巨大なので、非常に敏感ですが、ある意味では、それらが非常に大きいという事実は実際に彼らの感度を制限します。暗黒物質の粒子が私のキセノン検出器に当たると、10個の光子が生成されるとしましょう。私のキセノンタンクが小さい場合、私はそれらすべてを簡単に検出できますが、私が巨大なタンクを持っている場合、彼らはあちこちに跳ね返る必要があり、私はそれらの3つを捕まえるかもしれません。

さて、暗い物質の粒子が私の検出器に当たるときはいつでも、そもそも2つの光子を生成することしかありません。そのシナリオでは、LZに似た検出器から取得できる最大信号が減少します。だからこそ、LZの範囲外にある低質量暗黒物質粒子を探すための推進力があります。それは、他の種類の検出器に変わることを意味します。

実際に暗黒物質を見つけたとしましょう。それは物理学と宇宙にとって何を意味しますか？

2つの問題を解決します。これは明らかなものです。私たちの宇宙の問題の85％が何が欠けているのですか？しかし、それは、現実の構成要素の本質的なリストである粒子物理学の標準モデルを伴わない方法でそれを行うでしょう。したがって、暗黒物質を見つけた場合、このモデルの外に最初の覗き見があります。標準モデル以外の具体的なものについては、確かな証拠はまだありません。まったく何もありません。これは、部屋に最初の光のビームです。