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CDMS

ダークマターの候補のWIMPという仮説上の粒子について前回書きました。

どういう装置を使って、WIMPを観測するのか。CDMSという実験の例を紹介します。(Cryogenic Dark Matter Searchの略、「低温でのダークマターサーチ」と訳しておきます)実験屋ではないので、どうも理解しきれていない部分もありますが、分かる限り。英語ですが実験サイトにも色々解説があります

今回は色々、物理の基礎みたいな話をサラッとしてるんで、その辺で分からない、知らない、というのがあればコメントで遠慮なく聞いてください。


前回話した、ニュートリノ観測装置のスーパーカミオカンデと同じ様に、CDMSの装置は地下深くに置かれています。この場合、アメリカのミネソタ州スーダンの廃坑の中です。(Soudanはアフリカの国スーダンのフランス綴り。国にちなんで名付けられたらしい…)

そしてスーパーカミオカンデと一緒で、CDMSは、装置を設置して、待つ実験です。網を張って、あとは待つだけ、という漁のようなものと思っていいです。


じゃあ、どういう網を張ったのか。

CDMSが使っているWIMP探知機は、こんな物。

ZIP detector

100gの珪素(シリコン)、または250gのゲルマニウムのブロックです。大体アイスホッケーのパックの大きさと言われてますが、それで通じるかな?手で持てるような大きさ、って事です。(写真に写っているのがどっちなのかは分かりませんでした)

まずはとにかく、WIMPがこの探知機に当たってくれる事を待ちます


もし、WIMPが探知機の中のシリコンやゲルマニウムの原子核に当たると、どうなるでしょうか?

固体のシリコンやゲルマニウムは、ダイアモンドと同じように格子状の結晶になっています。格子の中の1つの原子が衝突を受けて動き出すと、その格子に沿って振動が伝わるんですね。簡単に言ってしまうと、、です。

もう1つ起きるのは、WIMPにぶつかられた原子核が急な動きをすると、原子核の周りにある電子のいくつかは取り残されてしまいます。取り残された電子は、勝手に他の場所に行っちゃったりするわけですね。言い換えると、原子が電子を失って、プラスの電荷を持った正イオンになるイオン化するわけです。


音とイオン化、この2つの両方を観測出来るようにCDMSはデザインされてます。

まず、音を観測するためには、探知機を低温に冷やさないといけません。なぜかと言うと、固体の持つ熱は、中の原子や分子の振動だから。探知機の温度が高いと、WIMPにぶつかられなくても原子がみんな揺れてるんです。

CDMSの探知機は、絶対温度から、0.01°しか違わない温度まで冷やされています。(10mK、10ミリケルヴィンと言います)

Cryostat
↑冷却装置。どうやって働くのかは聞かないで(笑)

ここまで冷やした上で、振動を測れば、それは探知機の中の原子が動かされたんだな、と分かる事になります。1つ目の写真で、探知機の表面に細い線がいっぱい入っているのが見えますよね。これが、音のセンサーだという事です。普段は(というか、冷やしているから)超伝導体になっている部品があって、少しでも熱を与えると、超電導でなくなってしまうように調整しているそうです。この部品が超電導でなくなったら、音が起こったという事。


イオン化の方は、専門でない自分にも測り方がよく分かりました(笑)

探知機は、上と下とで電圧が違うようにしてあります。イオン化が起きて、電子が自由に動けるようになると、電子は電圧の高い方に向かいます。(物の中を電流が流れるというのはそういう事です。電子など、電荷を持った粒子が自由に動ける物は伝導体で、自由に動けなければ絶縁体になります)

というわけで、表面に電子を観測出来る装置を付けておけば、終わり。

音とイオン化が同時に起こったのが分かれば、それは装置に何かがぶつかったと分かります


衝突の観測の仕方は大まかには分かってもらえたでしょうか。

次回、その衝突のもとが、どうやってWIMPだと分かるのか、書いてみます。

テーマ : 物理学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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WIMPの資格

CDMSが、探知機の中で衝突が起こったことをどう観測するのかは前回書いた通り。でも、音やイオン化に繋がる衝突を起こすのは、観測したいダー...

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アシュリー

Author:アシュリー
カリフォルニア州バークリー在住、元スポーツジャンキーのアシュリーです。

今観るスポーツは、アーセナル(サッカー)とグリズリーズ(バスケ)、あとテニス。

専門の物理ネタ以外にも、色々書いていくつもりです。

Twitterをハンドル名Inoueianでやっています。

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