大型ハドロン衝突型加速器での暗黒物質の謎の探求

要約

本記事では、宇宙の物質の85％を構成する暗黒物質の謎に迫ります。直接観測することはできませんが、スイスのジュネーブにある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で作成できる可能性があると科学者たちは理論化しています。LHCがどのように機能するか、科学者が検出器を使用して新しい粒子に関する情報を収集し、暗黒物質のような稀な大質量粒子の兆候を探す方法、理論的モデルの重要性、そして宇宙の理解を再構築する可能性がある何かを発見することの興奮について説明します。

暗黒物質とは何か？

暗黒物質は、宇宙の物質の85％を構成する神秘的な物質です。直接観測することはできませんが、銀河やその他の天体に対する重力の引力を観測することで存在を知っています。数十年にわたる研究にもかかわらず、科学者たちは暗黒物質が何でできているのかまだ知られていません。

大型ハドロン衝突型加速器での暗黒物質の作成

科学者たちは、スイスのジュネーブにある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で暗黒物質を作成できる可能性があると理論化しています。LHCは、27キロメートルのトンネルを持ち、2つの陽子ビームを光速に近づけて加速する世界で最も強力な粒子衝突器です。

大型ハドロン衝突型加速器の仕組み

LHCでは、2つの陽子ビームが反対方向に移動し、4つの衝突点で衝突します。陽子は、クォークとグルーオンと呼ばれるより小さな成分で構成されています。通常の衝突では、陽子は互いに通過し、重要な結果は生じません。しかし、100万回に1回程度の衝突では、2つの成分が激しく衝突し、衝突エネルギーのほとんどが解放され、何千もの新しい粒子が生成されます。このような衝突で、理論化された暗黒物質のような非常に大きな粒子が生成されることがあります。

新しい粒子の検出

LHCの衝突点は、約1億個のセンサーを含む検出器に囲まれています。これらのセンサーは、新しい粒子の軌跡、電荷、エネルギーなどの情報を収集します。処理されたデータは、衝突を画像として描写し、各線が異なる粒子の軌跡を表すようになります。検出器からのデータにより、科学者は光子や電子などの各粒子を特定することができます。

暗黒物質の兆候の探索

検出器は、秒間約10億個の衝突のスナップショットを撮影して、暗黒物質のような稀な大質量粒子の兆候を探します。しかし、科学者が探している粒子は不安定であり、センサーに届く前により一般的な粒子に崩壊する可能性があります。これを克服するために、科学者たちは理論モデルを使用して、何を探すか、どの質量値を使用して新しい粒子を背景のイベントから分離するかを予測します。たとえば、理論化された長年の粒子であるヒッグス粒子が、時々2つの光子に崩壊すると予測されていました。科学者たちは、2つの光子を含む高エネルギーのイベントだけを検討し、質量値を使用してヒッグス粒子を他のすべてから分離しました。ヒッグス粒子が生成され、2つの光子に崩壊すると、質量は常に同じになります。したがって、ヒッグス粒子の兆候は、背景の上に座っている小さなバンプであることがわかります。このようなバンプが現れるには、何十億もの観測が必要であり、そのバンプが背景よりも有意に高くなった場合にのみ意味がある結果と見なされます。