物理学の実験室としてのアンデス山脈

ペルーのアンデス山脈の高地では、深い峡谷が古い岩を切り裂き、空気がささやきのようになる場所で、物理学者たちは山全体を彼らが「不可能な粒子検出器」と呼ぶものに変えています。このプロジェクトはアンデス峡谷の自然な幾何学構造を利用して、宇宙で最もエネルギーの高い粒子を捕捉します—数十億光年を旅してきた宇宙のメッセンジャーで、宇宙で最も激しいイベントに関する情報を携えています。

このイニシアチブは、物理学者カルロス・アルグエレス・デルガドとの国際協力者チームによって主導されており、高エネルギー粒子物理学の基本的な課題の1つの創造的な解決策を表しています:人間が製造したどの加速器も生成できないほどエネルギーの高い粒子を検出することです。これらの超高エネルギーニュートリノと宇宙線は、CERNのLarge Hadron Colliderで達成可能な任何のものより何百万倍も大きいエネルギーを持っています。

山がより良い検出器である理由

従来の粒子検出器は地下深くに埋められています—鉱山内、山下、または南極氷の下—低エネルギー宇宙線の絶え間ないシャワーから保護するため、その器具を圧倒します。例えば、南極にあるIceCube Neutrino Observatoryは、南極氷の立方キロメートルを検出媒体として使用しています。

ペルーのアプローチは異なる戦術を採用しています。検出器を地下に埋める代わりに、チームは深い峡谷に器具を配置します。周囲の山の岩が天然のフィルターとして機能します。特定の角度から入る粒子は数キロメートルの岩を通過する必要があり、ニュートリノとその他の稠密な物質を貫通することができるいくつかの粒子以外のすべてを吸収します。峡谷の幾何学は効果的に方向フィルターを作成し、物理学者が空の特定の地域から到着する粒子を研究することを可能にします。

この自然な建築は、特別に建設された地下実験室に対していくつかの利点を提供します。有効な検出ボリュームは巨大です—掘られた洞窟が提供できるものより遠く大きいです。コストは同等の地下施設を建設するための一部です。そして、アンデスの高い高度は、検出器上の大気がより薄いことを意味し、バックグラウンドノイズの1つのソースを減らします。

量子重力の狩猟

リスクにある科学的賞は、重力が量子の性質を持つことを証明することにほかなりません。一般相対性理論は、重力を時空の曲率として説明しています—滑らかで継続的な現象です。対照的に、量子力学は他の基本的な力を離散粒子によって仲介されると説明しています。これら2つのフレームワークを量子重力の理論に統一することは、物理学の最大の未解決問題の1つです。

超高エネルギー宇宙粒子は、量子重力効果の最初の実験的証拠を提供する可能性があります。十分に高いエネルギーで、いくつかの量子重力理論によって予測される時空の粒状構造は、粒子が宇宙距離全体にどのように伝播するかの方法で測定可能な歪みを生成する必要があります。これらの歪みは、到着時間またはエネルギースペクトルの小さな変化として現れます。山の検出器はこれらを測定するために設計されています。

量子重力署名を検出する以前の試みは、地上加速器でアクセス可能なエネルギー範囲と既存の宇宙線観測所の感度によって制限されています。ペルーの検出器が正確な方向情報で超高エネルギーイベントをキャプチャする能力は、感度を以前に探索されていない領域に押し出す可能性があります。

検出器アレイの構築

検出器アレイは、シンチレーション パネル、水Cherenkovタンク、および峡谷システム全体の戦略的なポイントに配置されたラジオアンテナで構成されています。高エネルギー粒子が岩または空気と相互作用するとき、二次粒子のカスケード—空気シャワー—を生成し、機器が検出して再構成できます。複数の検出器ステーション間でシグナルを相関させることで、チームは元の粒子のエネルギー、方向、および身元を決定できます。

険しいアンデス地形への設置は、独自の課題を提示します。機器は、道路や電気がない遠隔地にラバで輸送する必要があります。太陽パネルとバッテリーシステムが機器に電力を供給し、衛星リンクがデータを分析センターに送信します。これらの後勤上の困難にもかかわらず、チームはすでにプロトタイプのステーションを配置し、彼らの最初の宇宙線イベントを記録しています。

宇宙への新しい窓

量子重力を超えて、山の検出器は多くのメッセンジャー天文学の新しい可能性を開きます—同時に異なるタイプのシグナルを使用して宇宙イベントを研究する慣行。中性子星の合併やスーパーノバが発生すると、重力波、電磁放射、およびニュートリノを生成します。正確なタイミングと方向情報でこれらのイベントのニュートリノ成分を検出すると、天文学者はソースを特定し、極端な環境の物理学を理解するのに役立つ可能性があります。

このプロジェクトは、自然な地理学の創造的な使用が、高価な専門的に構築された科学インフラストラクチャを補完または置き換えることができる方法のモデルとしても機能します。物理学が加速器が達成できるものを超えるエネルギー体制に進むにつれて、宇宙自体が実験室になり、地球の地質が機器になります。

この記事はNew Scientistのレポートに基づいています。元の記事を読む。