イタリアの山腹の奥深く、大量の液体キセノンで満たされた巨大検出器が、暗黒物質-その影響が宇宙に見られるものの、これまで誰も直接観測していない謎の物質の粒子を探しています。 シカゴ大学の科学者が共著者として4月25日にネイチャー誌に発表したXENON1T実験の結果は、宇宙で最も長い半減期を記録し、素粒子物理学の大きな謎の1つである別の謎のプロセスを探す科学者に役立つ可能性があります。
私たちは、ウランやプルトニウムのような放射性元素になじみがあります。 たとえば、ラドン222の半減期はわずか4日です。 しかし、中には非常にゆっくりと崩壊する元素もある。 その半減期は宇宙の年齢の1兆倍で、そのため、その崩壊を検出できる可能性は非常に小さいのです。
「これは、我々がこれまで直接測定した中で最も長い寿命です」と、シカゴ大学の物理学の助教授でこの研究の共著者であるLuca Grandi氏は言いました。 「この検出は、XENON1T を超低バックグラウンド検出器にするために共同研究が行った多大な努力によってのみ可能でした。 これは、この検出器が設計された暗黒物質や他のとらえどころのないプロセスの検出などの希少事象の探索に理想的でした」
Grandi は、イタリアのグランサッソ山脈の地下約 1 マイルにある非常に感度の高い機械、XENON1T 検出に従事する科学者の 1 人です。 この深さと、検出器が浸かっている巨大な水プールは、暗黒物質の候補の1つである「WIMP」と呼ばれる粒子の証拠を探す際に、宇宙線や他の現象から来る誤報から検出器を守ります。
XENON1T検出器は、華氏マイナス140度に冷却され常に純化されている3トンのキセノンで満たされています（容器内の金属の側面から数個の原子がはがれると測定がおかしくなる）。 Grandi氏とシカゴ大学のチームが開発、構築、運用に携わったこの検出器は、粒子がキセノン原子に衝突した後に生じる閃光を検出します。
XENON1T検出器は、暗黒物質粒子が通常の物質とほとんど相互作用しないと予想されるので、非常に稀なプロセスを検出するために最適化されています。 この場合、キセノン124の原子が検出器内で崩壊する際に生じる飛跡を検出することができます。
このデータは、XENON1Tがデータを取っていた1年間に126回、キセノン124の半減期を初めて決定的に測定することに貢献しました。 これは、キセノン原子核の2つの陽子がそれぞれ同時に原子殻から電子を吸収してニュートリノを放出し、両方の陽子を中性子に変換するときに起こります。
これは、二重ベータ崩壊過程と呼ばれる、物理学者を興味をそそる別の過程に密接に関連している。 「もし科学者が二重ベータ崩壊のニュートリノなしバージョンを観測したら、ニュートリノがそれ自身の反粒子であることがわかるでしょう」とGrandi氏は言いました。 もしそうであれば、物理学者は、宇宙がどのように機能しているかについての彼らの絵を見直す必要があり、なぜ宇宙には反物質よりも物質が多いのかというようないくつかの基本的な疑問への扉を開く可能性さえあります」
そのような事象はまだ誰も観測できていませんが、キセノン124崩壊測定によって、科学者のモデルのパラメータを厳密にし、彼らがニュートリノのない二重ベータ崩壊を探すために用いる技術によってエラーが生じる可能性を低減することによって、それをどう探すかという情報を得ました。
「二重ベータ探索のための核モデルを制約する以上に，この発見は，将来の巨大キセノン検出器を用いて，ニュートリノを含まない二重電子捕獲を探索することが可能かもしれないことを教えてくれます-もし検出されれば，ニュートリノの性質も教えてくれるでしょう」とグランディ教授は語りました。
XENON1T検出器は現在、その感度を上げるためにアップグレード中で、今年後半には3倍のキセノンと1桁多い感度を持つXENONnTとしてデータ収集を再開する予定になっています。
この論文に参加したシカゴ大学の他の科学者は、博士研究員の Jacques Pienaar、大学院生の Evan Shockley、Nicholas Upole、Katrina Miller、博士研究員の Christopher Tunnell（現在はライス大学）、データ科学者の Benedikt Riedel（現在はウィスコンシン大学マディソン校）です。 “XENON1Tで124Xeの2ニュートリノ二重電子捕獲を初観測” Aprile et al, Nature, April 24, 2019.
Funding。 全米科学財団、スイス国立科学財団、ドイツ教育研究省、マックス・プランク研究所、ドイツ研究財団、オランダ科学研究機構、NLeSC、ワイツマン科学研究所、I-CORE、Pazy-Vatat、初期トレーニングネットワーク・インビジブル、Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia、Region des Pays de la Loire、Knut and Alice Wallenberg Foundation、Kavli Foundation、Abeloe Graduate FellowshipおよびIstituto Nazionale di Fisica Nucleare.