山の下で暗黒物質の新しい狩りが行われます

デイビッド・ダンジェロは常に暗黒物質に興味があったわけではありませんでしたが、今では宇宙で最もとらえどころのない粒子の狩りの最前線にいます。

ローマから車で約1時間、 グランサッソディタリアと呼ばれる山々の密集した山があります。 彼らは自然の美しさで有名で、一年中観光客を魅了し、冬には世界クラスのスキーリゾートとハイキングコースを提供し、夏には泳ぐ機会を提供しています。 43歳のイタリアの物理学者David D'Angeloにとって、これらの山は第二の故郷のようなものです。 ほとんどのグランサッソの訪問者とは異なり、ダンジェロはほとんどの時間を山ではなく山の下で過ごします。



そこで、地球の表面から数千メートル下の海底空間で、ダンジェロは暗黒物質の粒子の狩りに特化した新世代の実験に取り組んでいます-暗黒物質の粒子-その存在は数十年の間想定されていたが、まだ実験的に証明されていません



暗黒物質は宇宙の27％を占めると考えられており、このとらえどころのない物質の記述は、現代物理学の最も深刻な問題の1つです。 ダンジェロは彼の生涯に突破口が生じると楽観的に信じていますが、前世代の物理学者も同じように考えていました。 原則として、ダンジェロが望んでいた粒子がまったく存在しない可能性が十分にあります。 しかし、宇宙の基本的な性質を探る物理学者にとって、ダンジェロが言うように、「ゴーストハント」でキャリア全体を追求する機会は、科学の進歩の代価です。

「大きな石」の下には何がありますか？

1989年に、イタリア国立核物理研究所は、宇宙物理学に特化した世界最大の地下研究所であるグランサッソに国立研究所を開設しました。 洞窟の上にある、グランサッソの3つの地下ホールは、物理学者のために特別に建てられたもので、研究センターにとってはかなりシックな環境です。 SNOLABなどのほとんどの地下天体物理学研究所は、古い鉱山や操業中の鉱山を使用して自発的に手配します。この事実により、研究所で使用できる時間と使用する機器の種類が制限されます。



惑星を洗う騒々しい宇宙線から保護するために地下1キロに位置するグランサッソは、素粒子物理学のいくつかの実験を隠し、宇宙の基礎を調査しました。 過去数年間、ダンジェロは、太陽ニュートリノと暗黒物質をそれぞれ研究するアクティブバックグラウンド除去実験（ SABER ）を使用して、グラフをボレキシノ天文台とヨウ化ナトリウムに分割しました。





動作するSABREプロトタイプを持つダンジェロ



過去100年にわたって、太陽ニュートリノと暗黒物質の記述は、素粒子物理学の最も重要なタスクと考えられています。 今日、太陽ニュートリノの謎は解明されましたが、これらの粒子は太陽や他の星で発生する核融合に関する多くの情報を提供するため、物理学者にとって非常に興味深いものです。 しかし、暗黒物質の組成はまだ核物理学の最大の問題の1つと考えられています。 これらの粒子は完全に異なる性質にもかかわらず、これらの粒子は最小限のバックグラウンド放射の条件下でのみ検出できるため、彼らの研究の問題は依然として関連しています：地下数千メートル。



「山は盾のように機能するので、山の下にいると、いわゆる「宇宙の静寂」を経験します」とダンジェロは言いました。 「これは私の研究で最も好きな部分です。洞窟に入り、検出器で作業を開始し、表示される信号を理解しようとします。」



卒業後、ダンジェロはイタリア国立核物理研究所に就職し、太陽ニュートリノ、太陽の核融合から生じる電荷のない素粒子に焦点を当てました。 40年のほとんどの間、太陽ニュートリノは天体物理学の最大の謎の1つの中心にありました。 問題は、太陽ニュートリノのエネルギーを測定する機器の結果が、物理学における基本粒子の最も正確な理論である標準モデルによって予測される結果よりもはるかに少ないことでした。



標準モデルが宇宙論の他の側面においてどれほど正確であったかを考えると、物理学者はこの矛盾を説明するためにそれを変更したくありませんでした。 考えられる説明の1つは、物理学者が太陽の誤ったモデルを作成し、そのコアの圧力と温度の改善された測定を行う必要があるということでした。 しかし、60年代と70年代に一連の観測を行った結果、全体として太陽のモデルが正しく構成されたことがわかり、物理学者はニュートリノに代わりの説明を求めました。

3つのニュートリノの物語

オーストリアの物理学者ヴォルフガング・パウリが1930年代にニュートリノの存在を最初に提案して以来、 ニュートリノは理論のプラグホールに常に惹きつけられてきました。 パウリの場合、電荷のない非常に軽い粒子の存在の仮定は、エネルギー保存の法則が放射性崩壊中に機能しない理由を説明する「絶望的な手段」でした。 3年後、イタリアの物理学者エンリコフェルミは、これらの仮想粒子に名前を付けました。 彼はそれらを「 ニュートリノ 」と呼び、イタリア語では「小さな中性子」を意味します。



パウリの仮定の四半世紀後、2人のアメリカの物理学者が原子炉のニュートリノの最初の証拠を報告しました。 翌年の1957年、ソ連で働いていたイタリア出身の物理学者であるブルーノ・マクシモヴィッチ・ポンテコルボは、 ニュートリノ振動の理論を開発しました 。 当時、ニュートリノの特​​性は十分に研究されていなかったため、ポンテコルボはいくつかのタイプのニュートリノがあることを示唆しました。 この場合、ニュートリノがそのタイプを変える可能性があると彼は示唆した。



1975年までに、ポンテコルボの理論が証明されました。 ニュートリノの3つの異なるタイプまたは「アロマ」が発見されました：電子、ミューオン、タウ。 また、サウスダコタでの実験での観測が太陽が電子ニュートリノを生成することを示したことは重要です。 唯一の問題は、標準モデルが予測したよりも少ないニュートリノが実験で記録されたことです。



90年代後半まで、ニュートリノが1つのフレーバーから別のフレーバーに移ることができるという証拠はほとんどありませんでした。 1998年、日本のスーパーカミオカンデ天文台で働く研究者グループは、主に地球の大気との光子の相互作用から生じる大気ニュートリノ振動を観測しました。 3年後、太陽ニュートリノ振動の最初の直接的な証拠がサドベリーカナダ天文台 （SNO）で得られました 。



控えめに言っても、これは宇宙論の主要なイベントになっています。 失われた太陽ニュートリノの謎、または太陽から飛ぶニュートリノの約3分の1が実験で観測された理由を、標準モデルの予測と比較しました。 ニュートリノが振動して芳香を変えることができる場合、太陽の中心から放出されたニュートリノは、地球に到達するまでにさまざまな種類のものになる可能性があります。 80年代半ばまで、地球でのほとんどの実験では、電子ニュートリノのみが検索されました。つまり、太陽から地球への経路に沿って表示される他の2つのフレーバーを見逃していました。



SNOが80年代に考案されたとき、それは電子ニュートリノだけでなく、3種類すべてのニュートリノを検出できるように設計されていました。 そして、この決定は報われました。 2015年、実験ディレクターのスーパーカミオカンデとSNOは、太陽ニュートリノの欠落の謎を解決するためにノーベル物理学賞を共有しました。





Boreksinoの検出器



太陽ニュートリノの謎は解決されましたが、それらをより良く理解するために科学でなすべきことが多く残っています。 2007年以来、グランサッソのボレキシノ天文台は太陽ニュートリノ振動の測定を改善しており、物理学者に太陽にエネルギーを与える核融合に関する前例のない情報を提供しています。 外は天文台が巨大な金属球のように見え、中は別の惑星から来た技術のように見えます。



実際、球体の中心には、直径10 m、厚さ0.5 mmの巨大な透明ナイロンバッグがあります。 バッグには、ニュートリノが通過するときにエネルギーを放出する液体シンチレーターが入っています。 このナイロン球は、精製された数千トンの緩衝液に懸濁され、ニュートリノが液体シンチレーターと相互作用すると放出される電子によって放出されるエネルギーを検出できる2200個のセンサーに囲まれています。 3,000トンの超純水で構成される別のバッファーがあり、検出器をさらに保護します。 これらすべてが一緒になって、世界中のすべての液体シンチレーターの中で、周囲の放射線から観測所を最大限に保護します。



過去10年間で、2011年にプロジェクトに参加したD'Angeloを含むBorexinoの物理学者は、このユニークなデバイスを使用して、太陽コアでの核融合中の陽子衝突によって生成される低エネルギー太陽ニュートリノを観測しています。 物質とほとんど相互作用しない電荷なしでこれらの超軽量粒子を検出するのがどれほど難しいかを考えると、そのような敏感な機械なしでは低エネルギーの太陽ニュートリノを検出することは事実上不可能でしょう。 SNOが太陽ニュートリノの最初の振動を直接検出したとき、彼は背景放射からの干渉のために最もエネルギーの高い太陽ニュートリノしか観測できませんでした。 そして、これは太陽から放出されたニュートリノの約0.01％に過ぎませんでした。 Boreksinoの感度により、彼はSNOよりも1桁低いエネルギーで太陽ニュートリノを観測することができます。これにより、太陽プロセスや超新星のようなよりエキゾチックな現象の非常に洗練されたモデルを作成できる可能性が開かれます。



「物理学者は太陽ニュートリノを解明するのに40年かかりました。それは素粒子物理学の最も興味深い謎の1つでした」とダンジェロは私に語った。 「今や暗黒物質のようなもの。」

暗黒物質に光を当てる

ニュートリノが20世紀の神秘的な粒子であった場合、暗黒物質は現代のパズルです。 パウリがニュートリノを実験が自然の最も基本的な法則の1つに違反するように思われる理由を説明する絶望的な手段として提案したのと同じように、宇宙観測が収束しないので暗黒物質粒子の存在が示唆されました。



1930年代初頭、アメリカの天文学者フリッツツウィッキーは、地球から約3億2000万光年離れた1000以上の銀河の集まりであるヴェロニカヘアークラスター内のいくつかの銀河の動きを研究しました。 エドウィンハッブルによって公開されたデータを使用して、ツヴィキーはヴェロニカの髪の銀河団全体の質量を計算しました。 終了すると、彼は銀河の速度の分散 （オブジェクトのグループの速度の統計分布）に奇妙な何かを発見しました。 速度の分布は、物質の量に基づいて計算された値の12倍でした。





グランサッソの研究室で



これは予想外の計算であり、その重要性はZwickyから逃れませんでした。 「これが確認されれば、 彼は次のように書いた 。「驚くべき結果が得られるだろう。それによると、光よりもはるかに多くの暗黒物質があるだろう」



宇宙は基本的に目に見えない物質で構成されているという考えは、ツヴィッキの時代には急進的であるように思われました-今日も同じです。 しかし、主な違いは、今日の天文学者がその存在を指し示すはるかに多くの経験的証拠を持っていることです。 ほとんどの場合、これは、1960年代および70年代の銀河の回転の測定により暗黒物質の存在に関するすべての疑念を解消したアメリカの天文学者であるVera Rubinによるものです。 ルービンの測定とその後の観測に基づいて、物理学者は、暗黒物質が宇宙の全物質の約27％を占めると信じています-私たちによく知られている通常のバリオン物質の約7倍です。 主な質問は、それが何で構成されているかです。



先駆的な観測以来、ルービンはすでに暗黒物質粒子のタイトルの多くの候補を提供してきましたが、これまでのところ、それらはすべて、世界で最も敏感な機器でさえ検出を避けています。 物理学者が何を探しているのかよく分からないからです。 物理学者のごく一部は一般に、暗黒物質は粒子ではないかもしれないが、エキゾチックな重力効果であると考えています。 これにより、実験設計は、最近見つかったキーが適合するスタジアムの近くの駐車場で車を探すことに似ています。 車が駐車場にある可能性がありますが、それが見つかるまで、たくさんのドアを移動する必要があります。



暗黒物質の候補の中には、 アクシオン 、 グラビティーノ 、 大質量天体物理コンパクトハロー （MACHO）、 弱く相互作用する大質量粒子 （WIMP）などの愚かな名前の亜原子粒子があります。 グランサッソの同僚とダンジェロはWIMPを着用しました。これは最近までダークエネルギーの主要な候補と考えられていました 。



しかし、過去数年にわたって、物理学者はいくつかの重要なテストがWIMPの存在を確認できなかった後、他の可能性を探し始めました。 WIMPは、実際には通常のバリオン物質と相互作用せず、光を発しない仮想的な素粒子のクラスであり、検出が非常に困難です。 この問題は、WIMPの外観が正確に誰にもわからないという事実によって悪化します。 言うまでもなく、探しているものが正確にわからない場合、何かを見つけるのは非常に困難です。



では、なぜ物理学者はWIMPが存在していると考えるのでしょうか？ 1970年代、物理学者は素粒子物理学の標準モデルを考案しました。これは、宇宙のすべてが基本粒子の小さなセットで構成されていると主張しました。 標準モデルは、宇宙が提供できるほぼすべてを完全に説明していますが、重力が含まれていないため、まだ不完全です。 1980年代に、SMの拡張は、 超対称性という名前で登場しました。SMの各基本粒子にはパートナーが必要です。 これらのペアは超対称粒子と呼ばれ、SM物理学のさまざまなパズル、たとえばヒッグスボソンの質量や暗黒物質の存在の理論的な説明に使用されます。 大規模なハドロン衝突型加速器など、世界で最も複雑で高価な実験のいくつかは、これらの超対称パートナーを発見する試みで作成されましたが、それらの存在に関する実験的証拠はこれまでのところありません。



超対称モデルで提案されている最も軽い粒子の多くはWIMPであり、グラビティーノ、スニートリノ、ニュートラリーノなどの名前を持っています。 多くの物理学者はまだ彼らの最後が暗黒物質の主要な候補であると考えており、彼らは初期の宇宙では大量に形成されたと考えています。 この古代の理論的粒子の存在の証拠を見つけることは、D'AngeloがGran Sassoで取り組んでいるものを含む、TMでの多くの実験の目標です。



ダンジェロは、彼がグランサッソ研究室に参加して数年後に暗黒物質に興味を持ち、太陽ニュートリノに関する彼の研究の自然な継続であると思われるDarkSide実験に貢献し始めたと語った 。 実際、ダークサイドは液体アルゴンで満たされた非常に敏感なセンサーを備えた巨大なタンクです。 WIMPが存在する場合、物理学者は、アルゴン核との相互作用のために現れるイオン化によりWIMPを検出できると考えています。



DarkSideは2013年からGran Sassoに参加しており、D'Angeloはさらに数年続くと述べています。 しかし、彼は現在、グランサッソでTMを使用したSABERと呼ばれる別のTMの実験に関与しています。これは、ヨウ化ナトリウム結晶との衝突の結果としてエネルギーが放出されたときに現れる光に基づいて、TM粒子の存在の直接的な証拠を探しています。



SABER実験装置は、特に1995年以来、DAMAという名前でグランサッソに行く別の実験に似せて作られています。 2003年に、DAMA実験は、1980年代に銀河の残りの部分に対する地球と太陽の動きの結果として予測される暗黒物質粒子の季節変動の検索を開始しました。 理論では、地球上で発見された暗黒物質粒子の相対速度は、6月に最大に達し、12月に最小に達すると述べています。





デビッド・ダンジェロ



ほぼ15年間、DAMAは実際に理論とTM粒子の予想される特徴と一致する検出器の季節変動を記録してきました。 DAMAは、暗黒物質の粒子を発見した世界で最初の実験であるかのように見えました。 しかし問題は、彼が見つけた署名が地球の他の季節変動に関連し、太陽の周りの地球の動きに関連する暗黒物質の流れの変化に関連している可能性を完全に除外できないことでした。



SABERは、DAMAデータのあいまいさを排除する必要があります。 機器のすべての欠陥が除去されると、グランサッソでの実験は半分のセイバーになります。 残りの半分はオーストラリアの旧金鉱にあります。 北半球と南半球に研究所が存在すると、通常の季節変動に関連するすべての偽陽性を排除するのに役立つはずです。 これまでのところ、SABER検出器はまだ試作品の状態にあり、今後数年間で両方の半球で観測を開始する予定です。



SABER実験は、物理学者によって発見されたTM粒子の存在の最良の証拠にも反論するかもしれません。 しかし、ダンジェロが指摘したように、この種のフラストレーションは科学の基本的な部分です。



「もちろん、TMが見つからず、幽霊を探しているのではないかと心配していますが、科学は非常に構造化されています」とD'Angelo氏は言います。 「時々、何かを探して数年を費やしても、そこに見つからず、すべてについての考え方を変えなければなりません。」



ダンジェロにとって、イタリアの洞窟でのニュートリノと暗黒物質の研究を通して亜原子世界を探ることは、宇宙との明示的なつながりの方法です。 「宇宙の最も微細な要素は、宇宙の膨張などの最も巨視的な現象に関連しています」とダンジェロは言いました。 -無限に小さいものは、無限に大きいものと接触します。 私がしている物理学の目標は、人間の知識の境界を越えることです。



Golovanov.netで人気のある科学のトピックに関する他の記事を見つけることができます。 RSSまたはYandex.Zenチャネルを介して、電子メールで更新を購読します。



一般的な需要により、プロジェクトを財政的に支援する機会が実現しました。 すでにサポートを提供してくれたすべての人に感謝します！