テキサスA&M大学の物理学者らが、宇宙の95%を占める暗黒物質と暗黒エネルギーの正体を解明するため、超高感度検出器を開発中だ。ルパク・マハパトラ博士率いるこの取り組みは、まれにしか起こらない粒子相互作用を検出することを目指す。Applied Physics Lettersに掲載されたこの研究は、数十年におよぶ宇宙の謎への研究を基盤としている。
宇宙の構成は大部分が謎に包まれており、望遠鏡や機器で観測可能な通常の物質はわずか5%にすぎない。残る95%は暗黒物質が約27%を占め、重力効果で銀河の構造を形成し、暗黒エネルギーが68%を占めて宇宙の膨張を加速させる。いずれも光を発せず吸収せず反射もしないため直接検出が難しく、科学者らは銀河運動や大規模構造への重力影響からその存在を推測している。 テキサスA&M大学の素粒子実験物理学者、ルパク・マハパトラ博士は、現在の知識を「象の尻尾だけを触って象を描写しようとするようなものだ。何か巨大で複雑なものを感じるが、ほんの一部しか把握していない」と喩える。彼のチームは、暗黒物質粒子からの微弱な信号を捉えるため、極低温量子センサーを備えた先進半導体検出器を設計している。これらの機器は、1年に1回、あるいは10年に1回の弱い相互作用を検知する必要がある。「暗黒物質は非常に弱く相互作用するため、年に1回、あるいは10年に1回のイベントを見つけられる検出器が必要だ」とマハパトラ氏は説明した。 マハパトラ氏のグループは、ノイズの中で信号を増幅することを重視した国際的な暗黒物質探査実験TESSERACTに貢献している。25年以上にわたりSuperCDMSプロジェクトを推進し、2014年のPhysical Review Letters掲載の画期的な成果では、低質量の弱く相互作用する質量粒子（WIMPs）、暗黒物質の有力候補の検出を可能にした。これらの仮説粒子は重力と弱い核力で相互作用し、地球を素通りすることが多く、通常物質とのまれな衝突を捉えるには絶対零度近くの超低温センサーが不可欠だ。 2022年にマハパトラ氏が共著した研究では、WIMPsに対する直接検出、非直接法、衝突型加速器探索などの複合戦略を探求した。「単一の実験で全ての答えは得られない。様々な手法の相乗効果で全体像を構築する必要がある」と同氏は指摘する。暗黒物質の検出は物理学を革命化し、基本法則を明らかにし、予期せぬ技術を生む可能性がある。「暗黒物質を検出できれば、物理学の新章が開かれる」とマハパトラ氏。