オーストラリアの科学者たちは、宇宙の最大の謎の XNUMX つである、目に見えない暗黒物質の性質の解明に向けて前進しています。
オーストラリア初の主要な暗黒物質検出器である ORGAN Experiment は、最近、暗黒物質を説明しようとする理論の中で人気のある候補である、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子の検索を完了しました。
ORGAN は、アクシオンの可能な特性に新たな制限を設けたため、アクシオンの検索を絞り込むのに役立ちました。 しかし、先に進む前に…
ストーリーから始めましょう
約 14 億年前、物質のすべての小さな断片 (後に人間、惑星、銀河となる基本粒子) は、XNUMX つの非常に高密度で高温の領域に圧縮されました。
その後、ビッグバンが起こり、すべてがバラバラになりました。 粒子が結合して原子になり、最終的にそれらが集まって星になり、爆発してあらゆる種類のエキゾチックな物質が作成されました.
数十億年後、地球は最終的に人間と呼ばれる小さなもので這うようになりました。 クールな話ですよね？ それがすべてではないことがわかりました。 半分にもなっていません。
人、惑星、恒星、銀河はすべて規則正しい物質でできています。 しかし、通常の物質は宇宙の全物質の XNUMX 分の XNUMX しか占めていないことがわかっています。
残りは暗黒物質と呼ばれるものでできています。 その名前は、私たちが知っていることのほとんどすべてを物語っています。 それは光を発せず (だから闇と呼んでいます)、質量を持っています (したがって物質と呼んでいます)。
目に見えない場合、そこにあることをどうやって知ることができますか?
宇宙で物事がどのように動くかを観察すると、目に見えるものだけを考えていては、観察を説明できないことに何度も気づきます。
回転する銀河は良い例です。 ほとんどの銀河は、目に見える物質からの引力だけでは説明できない速度で自転しています。
したがって、これらの銀河には暗黒物質が存在する必要があり、追加の重力を提供し、パーツが宇宙に飛び散ることなく、より速く回転できるようにします. 私たちは暗黒物質が文字通り銀河をまとめていると考えています。
したがって、宇宙には膨大な量の暗黒物質があり、私たちが目にするすべてのものを引っ張っているに違いありません. ある種の宇宙の幽霊のように、それもあなたを通り抜けています。 あなたはそれを感じることができません。
どうすればそれを検出できますか?
多くの科学者は、暗黒物質はアクシオンと呼ばれる仮説上の粒子で構成されている可能性があると考えています。 アクシオンは元々、強力な CP 問題と呼ばれる素粒子物理学の別の主要な問題の解決策の一部として提案されました (これについては記事全体を書くことができます)。
いずれにせよ、アクシオンが提案された後、科学者たちは、粒子が特定の条件下で暗黒物質を構成する可能性があることに気付きました。 これは、アクシオンが通常の物質との相互作用が非常に弱いと予想されるためですが、それでもある程度の質量があります。暗黒物質に必要な XNUMX つの条件です。
では、どのようにアクシオンを検索しますか?
暗黒物質は私たちの周りにあると考えられているため、ここ地球上に検出器を構築できます。 そして幸いなことに、アクシオンを予測する理論は、適切な条件下でアクシオンが光子 (光の粒子) に変換できることも予測しています。
私たちは光子の検出が得意なので、これは朗報です。 そして、これこそまさに ORGAN が行っていることです。 アクシオン-光子変換の正しい条件を設計し、弱い光子信号 (検出器を通過する暗黒物質によって生成される小さな閃光) を探します。
この種の実験はアクシオン・ハロスコープと呼ばれ、 1980s. 今日、世界にはいくつかありますが、それぞれ重要な点でわずかに異なります。
暗黒物質に光を当てる
アクシオンは、強い磁場の存在下で光子に変換されると考えられています。 典型的なハロースコープでは、超伝導ソレノイドと呼ばれる大きな電磁石を使用してこの磁場を生成します。
磁場の内部に、XNUMXつまたは複数の金属製の中空チャンバーを配置します。これは、光子をトラップして内部で跳ね返らせ、検出を容易にするためのものです.
ただし、XNUMX つ問題があります。 温度を持つものはすべて、小さなランダムな閃光を常に発しています (赤外線カメラが機能するのはそのためです)。 これらのランダムな放出、またはノイズは、私たちが探しているかすかな暗黒物質の信号を検出することを困難にします.
これを回避するために、レゾネータを希釈冷蔵庫に入れました。 この豪華な冷蔵庫は、実験を約-273°Cの極低温に冷却し、ノイズを大幅に減らします.
実験が寒ければ寒いほど、暗黒物質の変換中に生成されるかすかな光子を「聞く」ことができます。
大衆地域のターゲティング
特定の質量のアクシオンは、特定の周波数または色の光子に変換されます。 しかし、アクシオンの質量は不明であるため、暗黒物質が存在する可能性が高いと考えられる場所に焦点を当てて、実験はさまざまな領域に検索の対象を絞る必要があります。
暗黒物質の信号が見つからない場合は、実験がノイズを超える信号を聞くほど感度が高くないか、対応するアクシオン質量領域に暗黒物質が存在しないかのいずれかです。
これが発生した場合、「除外限界」を設定します。これは、「この質量範囲、このレベルの感度では暗黒物質が見つからなかった」という言い方です。 これは、暗黒物質研究コミュニティの残りの部分に、検索を他の場所に向けるように指示します.
ORGAN は、対象となる周波数範囲で最も感度の高い実験です。 その最近の実行では、暗黒物質の信号は検出されませんでした。 この結果は、可能な特性に重要な除外限界を設定しました アクシオンの.
これは、アクシオンを探す複数年計画の第 XNUMX 段階です。 現在、次の実験を準備しています。これは、より感度が高く、まだ調査されていない新しい質量範囲を対象としています。
しかし、なぜダークマターは重要なのでしょうか?
まず、基礎物理学に投資すると重要な技術が開発されることは、歴史からわかっています。 たとえば、現代のコンピューティングはすべて、量子力学の理解に依存しています。
当時、私たちの理解を超えた奇妙な物理現象のように見えたものを追求しなければ、電気や電波を発見することはなかったでしょう. 暗黒物質も同じです。
宇宙の物質のわずか XNUMX 分の XNUMX を理解することで人類が成し遂げてきたことすべてを考えてみてください。
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画像のクレジット： イラストリスコラボレーション
