最先端ダークマター直接探索実験を行う世界中の研究者が集結 -次世代液体キセノン検出装置開発に向けて研究協力協定を結ぶ-

2021年7月21日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)
 

2021年7月20日、イタリアのグランサッソ国立研究所 (INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso) と米国のサンフォード地下研究所(Sanford Underground Research Facility) は、ダークマターの直接探索を目指す XENON/DARWIN コラボレーションと LUX-ZEPLIN コラボレーションの研究者達が、次世代のダークマター直接探索実験に向けて共同で検出装置の設計、建設、運用を行うことを目的とする研究協力協定を2021年7月6日付で結んだことを発表しました。この研究協力協定には、16カ国から集まった104名の研究者が署名しており、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU) の Kai Martens (カイ マルテンス) 主任研究者と山下雅樹 (やました まさき) 特任准教授も含まれています。また、日本からは他に名古屋大学や神戸大学の研究者も署名しています。
 

宇宙の物質の約85% は、ダークマター (暗黒物質) という未知の物質で構成されることが、様々な宇宙観測から得られた間接的な証拠によって判明しています。しかし、未だその正体は謎に包まれています。現代科学において、ダークマターを直接捉えることは、最優先研究であり且つ大きな挑戦である課題の一つです。
 

現在、液体キセノンをターゲットに用いたダークマター直接探索実験である LUX-ZEPLIN と XENONnT は、2021年中に新しい粒子の発見に向けて観測を始めるための準備を進めています。LUX-ZEPLIN は、7.0トンの液体キセノンを用いてダークマターの直接探索を目指し米国のサンフォード地下研究所で実施されます。一方、XENONnT は5.9トンの液体キセノンを用いてイタリアのグランサッソ国立研究所で実施される実験です。この前身である XENON1T実験は、2020年6月17日に電子散乱事象の超過を観測したと発表し話題となりました (関連記事参照)。今回の研究協力協定の一方である DARWIN コラボレーションは、 XENON1T 及び XENONnT  を運用する XENON コラボレーションの発展的組織で、より巨大な次世代検出装置を建設するため必要な研究開発に焦点を当てて活動を行うサブグループが追加されています。Kai Martens 主任研究者と山下雅樹特任准教授は、XENON コラボレーションに加えて、この DARWIN コラボレーションのメンバーでもあります。
 

DARWIN コラボレーションでは、これまでにない低バックグラウンドを実現した大量の液体キセノン次世代検出装置を開発することで、ダークマター直接探索をより高感度で行うことに加え、多岐にわたる研究課題に取り組むことを目標としています。特に2つ目の目標は、宇宙における物質と反物質の不均衡として知られる「宇宙の物質優勢の謎」に迫る手がかりとなる、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の探索です。その他、太陽で生成される可能性のある未発見粒子アクシオンの探索や、素粒子の稀崩壊現象の探索、太陽ニュートリや大気ニュートリノ、超新星ニュートリの観測も行います。このように、標準理論を超えた新しい物理の兆候を様々な角度から捉えようとしています。
 

今回の研究協力協定により、DARWIN コラボレーションと LUX-ZEPLIN コラボレーションは協力して、新しい共同検出装置を建設することを目指します (建設地についてははまだ決まっていません)。次世代の液体キセノン検出装置はダークマターの検出感度を現行の検出装置の少なくとも10倍以上向上させる予定です。開発にあたっては、XENONnT や LUX-ZEPLIN のために開発された技術や、DARWIN コラボレーション に後押しされた技術が組み合わされる予定です。
 

研究協力協定に署名した Kavli IPMU の研究者はそれぞれ下記のように述べています。
 

Kai Martens (カイ マルテンス) 主任研究者
「ダークマターの正体に迫ることは、Kavli IPMU 設立以来の主要目的の一つであり、日本の XMASS もそのダークマター直接探索実験の一つです。2017年には、私は世界有数のダークマター直接探索実験プロジェクトである XENON との共同研究に参加し、昨年からはその次世代の後継実験となる DARWIN のプロジェクトにも参加しています。山下さんは、XENON-10 の頃からのベテラン研究者であり、早稲田大学の道家先生の研究室に所属して XMASS の研究で学位を取られて後、この分野のリーダーとして活躍しています。そして今回、この研究協力協定の締結によって、現在進められているダークマター直接探索実験の将来展望の道筋がつけられたのです。XENON と LUX-ZEPLINという世界をリードする2つの国際共同実験が、それぞれの持つ知識と技術を組み合わせ、現在進行中の実験がひと段落した後に、共にダークマターの直接探索に挑戦するのです。日本グループは、XMASS と XENON で培った信頼度の高い確立された技術を武器に、貢献していきます。」

山下雅樹 (やました まさき) 特任准教授
「私は、学生の頃から20年以上、この液体キセノンを用いたダークマター直接探索実験の研究をして来ました。今、世界の研究者が一丸となって、世界で一つの究極な観測装置を造ろうとしています。ダークマターは宇宙の歴史の中で星や銀河、また我々が存在するのに重要な役割を担ってきました。しかし、その正体は不明です。この大きな課題に XENONnT や今回の次世代検出器で発見できるのを大変楽しみにしています。Kavli IPMU では理論と実験の両面からダークマターの研究をしており、大きな貢献をできるよう研究を進めていきたいと考えています。 」

詳細については、米国のサンフォード地下研究所の記事も併せてご覧下さい。
 

関連記事
2020年6月17日
暗黒物質直接探索実験 XENON1T が電子散乱事象の超過を観測
 

関連リンク
Leading Xenon Researchers unite to build next-generation Dark Matter Detector (Sanford Underground Research Facility)
Workshop on Next-Generation Liquid Xenon Detector for Dark Matter, and Other Rare Events (※研究協力協定に先立ち2021年4月に行われた第1回ワークショップのサイト。署名研究者の詳細は上記からご覧いただけます。)