暗黒物質の探索へのミニマリスト アプローチ

特に、Antypas のチームは、彼らの実験を使用して、超軽量暗黒物質として知られる暗黒物質のクラスを検索します。 最も重い暗黒物質の粒子は、電子の約 1 兆分の 1 の軽さです。 量子力学によれば、すべての物質は粒子のような性質と波のような性質を持ち、通常、大きな物体はより粒子のような性質を持ち、小さな物体はより波のような性質を持ちます。 「人々が超軽量暗黒物質について話すとき、彼らが意味することは、暗黒物質が波に似ているということです」とカリフォルニア工科大学の物理学者キャスリン・ズレックは言います。

これまでのすべての暗黒物質実験と同様に、Antypas の検索では何も見つかりませんでした。 しかし、実験が暗黒物質ではないことを示しているため、発見がないことは暗黒物質の特性を制限するのに役立ちます. さらに、チームのアプローチは、WIMP として知られる粒子 (弱く相互作用する巨大な粒子) を探す、よりよく知られている暗黒物質の実験とは異なります。 これらの実験には通常、100 人以上の科学者の共同作業が含まれ、検出器には劇的な工学的要件があります。 たとえば、サウスダコタ州の着陸帯検出器には、7 トンの液体キセノンが含まれています。これは、大気中に 1000 万分の 1 未満しか含まれていない希元素です。 検出器を不要な放射線から保護するために、物理学者は検出器を山の奥深くにある研究所や旧鉱山の地下に配置します。

対照的に、Antypas の実験全体は卓上に収まり、彼の共同作業は 11 人の科学者で構成されていました。 暗黒物質を探すことは、実は彼の研究室のサイド プロジェクトでした。 彼らは通常、放射性崩壊の原因となる原子の弱い核力を研究するためにこの装置を使用します。 Antypas 氏は次のように述べています。 「私たちはこれらの方法を他の用途に使用しています。」 WIMP 検出器と比較して、卓上実験はシンプルで費用対効果が高いと Gehrlein 氏は言います。

過去 10 年ほどの間に、これらのテーブルトップ アプローチは暗黒物質の検索でますます一般的になってきている、と Zurek は言う。 単一の原子や分子を研究および制御するための超精密ツールとレーザーを最初に開発した物理学者は、新しい機械を使用するためのより多くの方法を探しました。 「より多くの人々が、主要な専門分野としてではなく、測定の新しい創造的なアプリケーションを見つける方法として、この分野に移行しました」とZurek氏は言います。 「彼らは実験の目的を変えて暗黒物質を探すことができます。」

注目すべき例として、物理学者 原子時計を作り直す 計時ではなく暗黒物質を探す。 これらの正確な機械は、何百万年もの間 1 秒たりとも遅れたりせず、基本定数に依存する原子核と電子との間の相互作用から決定される原子のエネルギー レベルに依存しています。 Antypas の実験と同様に、これらの研究者は原子のエネルギー準位を正確に測定することによって暗黒物質を探し、基本定数の値の変化を探しました。 (彼らは何も見つけられませんでした。)

しかし、これらの比較的最小限の実験は、従来の暗黒物質の実験に取って代わるものではありません.2つの種類は、仮説上の異なるタイプと質量の暗黒物質に敏感です. 理論家たちは、質量が 75 桁を超えるさまざまな暗黒物質粒子の仮説を立ててきた、と Gehrlein は言う。 最も軽い粒子は、Antypas が探している超軽量暗黒物質よりも 1,000 兆倍以上軽い可能性があります。 最も重い暗黒物質の候補は、実際にはブラック ホールと同じ大きさの天体です。

物理学者にとって残念なことに、彼らの実験では、ある質量範囲が他の質量範囲よりも可能性が高いというヒントは得られませんでした。 「これは、あらゆる場所に目を向ける必要があることを示しています」と Gehrlein 氏は言います。 手掛かりが非常に少ないため、暗黒物質ハンターは入手できるすべての援軍を必要としています。