目に見えない暗黒物質を可視光に変換する

銀河団（左）、暗黒物質のリングが見える（右）。 画像クレジット: NASA、ESA、MJ Jee、H. フォード (ジョンズ・ホプキンス大学)

暗黒物質の探査は、地軸を検出するために設計された新しい実験技術を使用し、先端技術と学際的協力を活用して、このとらえどころのない宇宙の構成要素の秘密を明らかにすることによって進められています。

幽霊が私たちの世界に出没します。 これは天文学と宇宙論で何十年も前から知られていました。 ノート 提案します 約85% 宇宙のすべての物質は神秘的で目に見えません。 これら 2 つの性質は、ダークマターという名前に反映されています。

いくつかの実験 彼らはその成分を解明することを目指していますが、数十年にわたる研究にもかかわらず、科学者たちは成果を上げていません。 今 私たちの新しい経験、で建設中 イェール大学 米国では新たな戦術を提案している。

暗黒物質は太古の昔から宇宙に存在しています。 星と銀河を引き寄せる。 目に見えず微妙で、光や他の種類の物質と相互作用するようには見えません。 実際、それはまったく新しいものであるはずです。

素粒子物理学の標準模型は不完全であり、それが問題です。 新しいものを探さなければなりません 基本粒子。 驚くべきことに、標準モデルの同じ欠陥が、どこに隠れているかについての貴重なヒントを与えてくれます。

中性子の問題

中性子を例に考えてみましょう。 陽子とともに原子核を形成します。 一般に中性ですが、理論によれば、クォークと呼ばれる 3 つの荷電粒子で構成されています。 このため、中性子の一部は正に帯電し、他の部分は負に帯電すると予想されます。これは、中性子が物理学者が電気双極子モーメントと呼ぶものを意味します。

今まで、 多くの試み それを測定すると、小さすぎて発見できないという同じ結論が得られました。 もう一人の幽霊。 私たちは機器の欠点について話しているのではなく、むしろ 100 億分の 1 よりも小さくなければならない係数について話しています。 あまりにも小さいので、完全にゼロになる可能性があるのではないかと疑問に思う人もいるでしょう。

しかし物理学では、数学的なゼロは常に強い主張です。 1970 年代後半、素粒子物理学者のロベルト ピッチとヘレン コイン (そして後にフランク ウィルチェックとスティーブン ワインバーグ) が発見を試みました。 理論と証拠を理解する。

彼らは、パラメータがおそらくゼロではないことを示唆しました。 むしろ、ゆっくりと電荷を失い、その後ゼロに進化する動的量です。 大爆発。 理論的計算によれば、もしそのような出来事が起こったなら、それは多数の幻想的な光の粒子を残したに違いない。

これらは中性子問題を「解決」できるため、洗剤のブランドにちなんで「アクシオン」と呼ばれています。 そしてさらに。 アクシオンが宇宙の始まりに作られたとすれば、それ以来ずっと存在しています。 最も重要なことは、その特性が暗黒物質の予想されるすべての要素を定義することです。 これらの理由により、ハブは次のようなものになりました。 好ましい候補粒子 暗黒物質用。

アクシオンは他の粒子と弱くのみ相互作用します。 ただし、これは、依然としてかなりの相互作用があることを意味します。 目に見えない軸は、皮肉にも光の本質であるフォトンを含む通常の粒子に変化する可能性があります。 これは、磁場の存在など、特定の条件下で発生する可能性があります。 これは実験物理学者にとっては天の恵みです。

実験計画

たくさんの実験 彼らは、管理された実験室環境でアクシオンの幽霊を呼び起こそうとします。 たとえば、光を軸に変換し、その軸を壁の反対側で光に変換することを目的としたものもあります。

現在、最も感度の高いアプローチは、コロナと呼ばれる装置を使用して、銀河 (したがって地球) に浸透している暗黒物質のハローをターゲットとしています。 これは、強力な磁場に浸された導電性の空洞です。 前者は私たちの周囲の暗黒物質（軸索であると仮定します）を拾い上げますが、後者はそれを光に変えるよう促します。 その結果、キャビティ内に電磁信号が現れ、アクシオンの質量に応じた固有の周波数で振動します。

このシステムはラジオ受信機のように機能します。 対象の周波数を遮断するには適切に調整する必要があります。 実際には、異なる特性周波数に対応するためにキャビティの寸法が変更されます。 アクシオンとキャビティの周波数が一致しない場合、それはラジオを間違ったチャンネルに合わせるようなものです。

強力な磁石はイェール大学の研究室に運ばれます。 クレジット: イェール大学

残念ながら、探しているチャンネルを事前に予測することはできません。 考えられるすべての周波数をスキャンする以外に選択肢はありません。 それは、周波数ノブを回すたびに大きくしたり小さくしたりする必要がある古いラジオで、ホワイトノイズの海の中でラジオ局を選択するようなものです。干し草の山の中の針です。

ただし、課題はこれだけではありません。 宇宙論とは、 数十ギガヘルツ アクシオン探索の最新の有望なフロンティアとして。 より高い周波数にはより小さなキャビティが必要となるため、その領域を探索するには、意味のある量の信号を捕捉するには小さすぎるキャビティが必要になります。

新しい実験では、別の道を見つけようとします。 私たちの 縦断プラズマスコープ実験（アルファ）。 に基づいた新しい概念のキャビテーションを使用します。 メタマテリアル。

メタマテリアルは、コンポーネントとは異なる普遍的な特性を持つ複合材料であり、部品の合計以上のものです。 導電性ロッドで満たされた空洞は、そのサイズがほとんど変化しないにもかかわらず、あたかも 100 万分の 1 小さいかのような固有周波数を持ちます。 これこそまさに私たちが必要としているものです。 さらに、バーには調整が簡単な調整システムが組み込まれています。

現在セットアップを構築中であり、数年後にはデータを受信できるようになる予定です。 この技術は有望だ。 その開発は、固体物理学者、電気技術者、素粒子物理学者、さらには数学者の協力の結果でした。

突飛な話ではありますが、アクシオンはいかなる幽霊も排除することのできない進歩を促進しています。

ストックホルム大学物理学博士研究員アンドレア・ガロ・ルッソ著。

に最初に掲載された記事を改​​作したもの 会話。