この記事は、 Futurityと共同で掲載されています。
世界で最も感度の高い暗黒物質検出器に、大幅な改良が加えられました。
この検出器は「 Large Underground Xenon (LUX) dark matter experiment」は、南ダコタ州の地下ほぼ1マイルにある Sanford Underground Research Facilityで稼働しています。新たな一連の較正技術により、その感度は大幅に向上しました。
LUXの研究者たちは、弱く相互作用する大質量粒子（WIMP）を探索しており、これは暗黒物質の有力候補の一つです。
「捕らえどころのない暗黒物質粒子を探すうえで、検出器の性能を高め続けることが極めて重要です」と、ブラウン大学物理学教授でLUX実験の共同スポークスパーソンを務めるリック・ゲイツケル氏は述べています。「低質量の暗黒物質粒子に対するLUXの感度を20倍以上改善し、WIMPを探索する能力を大幅に高めました。」
この新たな研究は、Physical Review Letters誌に投稿された論文で説明されており、同論文はArXivに掲載されました。本研究は、LUXの最初の3か月間の観測運転（2013年）で収集されたデータを再検証するものであり、他の実験で暗黒物質の検出の可能性が以前報告されていた低質量領域において、暗黒物質が検出された可能性を排除する一助となっています。
「実験の最初の3か月間の運転では暗黒物質粒子を探索しましたが、現在は新たな較正技術を用いて、それらが当検出器にどのように現れるのかをより正確に特定しています」と、インペリアル・カレッジ・ロンドンのアレイスター・カリー氏は述べています。「これらの較正により、キセノンが暗黒物質や背景事象に対してどのように応答するかについての理解が深まりました。これにより、以前はLUXで観測可能だとは知らなかった粒子を、より高い確信をもって探索できるようになりました。」
LUXの仕組み
暗黒物質は、宇宙において最も主要な物質の形態であると考えられています。科学者たちがその存在を確信しているのは、銀河の回転や、宇宙を伝わる光が曲がる様子に、その重力の影響が見て取れるためです。
WIMPは他の物質と極めてまれにしか相互作用しないと考えられているため、これまでのところ直接検出には至っていません。
LUXは、約3分の1トンの液体キセノンを感度の高い光検出器で取り囲んだ構造です。検出器内部で暗黒物質粒子がキセノン原子と衝突する、極めてまれな事象を識別するように設計されています。
衝突が起きると、キセノン原子は反跳し、微小な閃光を放出します。これをLUXの光センサーが検出します。検出器が約1マイルの岩盤の下に位置していることは、暗黒物質の信号を妨げる宇宙線やその他の放射線を遮蔽する助けとなります。
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これまでのところ、LUXは暗黒物質の信号を検出していませんが、その極めて高い感度により、科学者たちは暗黒物質粒子が存在しうる広大な質量領域のほぼすべてを排除することができました。今回の新たな較正は、この感度をさらに高めるものです。
使用された較正技術の一つでは、中性子を暗黒物質粒子の代役として用いました。中性子をキセノン原子に衝突させることで、科学者たちはLUX検出器が反跳過程にどのように応答するかを定量化できます。
「中性子を手球、キセノン原子を縞玉と無地玉に見立てた、ビリヤードの大きな試合のようなものです」とゲイツケル氏は説明します。「中性子を追跡することでキセノンの反跳の詳細を導き出し、これまでにない精度でLUXの応答を較正できます。」
中性子とキセノン原子の相互作用の性質は、暗黒物質とキセノンの相互作用と非常によく似ていると考えられています。「ただ、暗黒物質粒子との相互作用ははるかに弱く、約100万の4乗倍、すなわち10の24乗倍も弱いのです」とゲイツケル氏は述べています。
「そして探索は続く」
中性子実験は、キセノン原子核との相互作用に対して検出器を較正する助けとなります。しかしLUXの科学者たちは、衝突を受けた原子の電子によるわずかなエネルギー付与に対する検出器の応答についても較正を行いました。これは、放射性ガスであるトリチウム化メタンを検出器に注入することで行われています。
「通常の科学観測運転では、LUXが捉えるものの大半は背景の電子反跳事象です」とメリーランド大学のカーター・ホール氏は述べています。「トリチウム化メタンは同様の事象の便利な供給源であり、LUXにおけるその崩壊を数十万件も研究してきました。これにより、このありふれた事象を暗黒物質と取り違えることはないという確信が得られています。」
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もう一つの放射性ガスであるクリプトンも注入され、科学者たちが周囲の放射能によって生じる信号と、暗黒物質の信号の可能性とを区別する助けとなりました。
「クリプトンは液体キセノン中に均一に混ざり、既知の特定のエネルギーを持つ放射線を放出しますが、その後すぐに安定した非放射性同位体へと崩壊します」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学教授で、LUXの共同スポークスパーソンであり、ローレンス・バークレー国立研究所の関連研究者でもあるダン・マッキンジー氏は述べています。「液体キセノン全体にわたるこれらのクリプトン事象が生じさせる光と電荷を測定することで、検出器の応答をフラットフィールド補正し、暗黒物質事象と自然放射能をよりよく分離できるようになります。」
LUXの改良と高度なコンピューターシミュレーションにより、科学者たちは暗黒物質の追加の粒子モデルを検証できるようになり、それらは現在、探索から除外することが可能になっています。
「そして探索は続く」とマッキンジー氏は述べています。「LUXはサンフォード研究所で再び探索モードにあります。最新の運転は2014年後半に始まり、2016年6月まで継続される予定です。この運転は、2013年の前回の運転と比べて露出量が4倍以上に増加することになります。」
「新たなデータの中に、暗黒物質粒子が姿を現したかどうか、非常に楽しみにしています。」
掲載されている内容は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：ケビン・ステイシー氏は、Futurityの著者であり、ブラウン大学の物理科学ニュース担当官です。
画像：天の川 REUTERS/NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team.
