世界最大の宇宙実験が明日打ち上げられ、暗黒物質と代替宇宙の発見に備える

金曜日のスペースシャトル打ち上げは、スペースシャトル エンデバー号にとって最後の歓声以上の意味を持つ。その貨物室には、科学界で最も難解な謎のいくつかを解明するのに役立つかもしれない、大規模で物議を醸す物理学実験が積まれている。アルファ磁気分光計の搭載により、スペースシャトルの最後から2番目のミッションは、同機最大の成果の1つとなるかもしれない。

国際宇宙ステーションに恒久的に設置された AMS は、宇宙線を吸収し、反物質に何が起こったのか、そして、創造主の名において暗黒物質とは何なのかなど、宇宙の最も深い秘密を研究するように設計されています。

「暗黒物質の性質は現代の大きな謎だ」と、このプロジェクトに携わるMITの物理学者ピーター・フィッシャー氏は語った。

AMS は、金曜日の打ち上げに至るまでに長く遠回りの道のりをたどってきた。エネルギー省のこの実験は、ほぼ 20 年かけて進められ、16 か国 60 機関の約 600 人の研究者が参加している。費用は 15 億ドルから 20 億ドルの間だが、どうやら誰も正確な金額を確定していないようだ。コロンビア号の事故後、NASA が打ち上げ計画から AMS を削除したため、ほぼ完全に中止されるところだったが、科学者、特にノーベル賞受賞者で主任研究者のサミュエル・ティンが NASA を説得して、再びスケジュールに組み入れさせた。

AMS はティン氏の発明品であり、彼の重荷だと主張する人もいる。計画通りに機能し、暗黒物質の明らかな兆候を検出できれば、彼は再びノーベル賞を受賞する可能性がある。

AMS は、大型ハドロン衝突型加速器の粒子検出器の軌道バージョンのようなもので、その中心には強力な極低温永久磁石があり、入ってくる粒子を曲げます。この場合、入ってくる粒子は宇宙線、つまり死にゆく星、ブラックホール、その他の宇宙現象から地球に向かって噴出する高エネルギー物質のビームです。磁場内で粒子が曲がる様子から、その電荷が明らかになります。

重さ7トンのAMS容器には、入射する粒子のエネルギーと速度を測定する追跡装置も搭載されており、物理学者はこれによって何を見ているのかを正確に知ることができる。

AMSはCERNで製造され、LHC内でテストされ、機器の調整に役立った。ティン氏は昨年秋、打ち上げ準備中にすでに宇宙粒子を検出していたと語った。

このシステムは非常に感度が高く、何十億もの原子核の海からたった一つの反原子核を検出することができます。1億TeVのエネルギーを持つ粒子を測定できます。これを比較すると、世界最大の科学実験と呼ばれることが多いLHCは、比較的わずかな7兆電子ボルトで粒子を飛び回らせ、それらの衝突を測定します。

大気圏はこれらの超高エネルギー宇宙粒子の特性の一部を奪ってしまうため、物理学者たちは長い間、宇宙に設置する検出器の開発に取り組んできた。AMS は、以前のバージョンが 1998 年にスペースシャトル「ディスカバリー」に搭載されて飛行したため、正式には AMS-02 と呼ばれている。ちなみに、このミッションはロシアの宇宙基地ミールへの最後のミッションでもあった。

わずか 10 日間続いたこのミッションでは、非常に奇妙な特徴がいくつか検出された。その中には、ストレンジ クォークとアップ クォーク、ダウン クォークから構成される素粒子である「ストレンジレット」の可能性も含まれていた。粒子と力の標準モデルでは、クォーク (陽子と中性子の構成要素) には 6 つのフレーバーがあるとされているが、科学者の知る限り、すべてのものはアップ フレーバーとダウン フレーバーの 2 つから構成されている。これらのストレンジレット粒子が宇宙に大量に存在する場合、AMS はそれを観測することになる。

AMS は、ストレンジレットの正体を暴くとともに、宇宙に原始反物質が残っているかどうかの痕跡も探す。これは、すべてのものがなぜ存在するのかという疑問を解くのに役立つかもしれない。

純粋に数学的な観点から言えば、何も起きないはずである。反物質と通常の物質はビッグバン後の最初の瞬間に互いに消滅するはずである。しかし、それは起きず、宇宙には反物質よりも物質が優勢な状態が残り、したがって何もないのではなく何かが存在する。地上の粒子検出器での最近の研究により、なぜそうなるのかが明らかになったが、AMS はより優れた測定を行う。AMS は反ヘリウムや反水素を検出できる。これまでは研究室でしか捕捉されていなかったが、これは反物質銀河、あるいは反物質でできた並行宇宙の証拠となる可能性がある。

AMS は、私たちが目にする「通常の」物質の 6 倍も存在する暗黒物質の弱い特徴も探知します。AMS は、新しい種類の弱い相互作用をする巨大粒子 (WIMP) や、暗黒物質の存在を示す可能性のある背景の陽電子、反陽子、ガンマ線フラックスの信号を検出できるほど感度が高いです。

このような高尚な目標は、ハッブル宇宙望遠鏡の運搬を通じて科学者が暗黒物質を発見するのを最初に助けたスペースシャトルにとって、ふさわしい結末である。

こうした奇妙な可能性はどれも刺激的だが、ティン氏はBBCとのインタビューで、この実験が自分の最も大きな夢をも超えるものになることを望んでいると語った。

「私と私の協力者にとって、AMS の最も刺激的な目的は、未知のものを探究し、自然界に存在するが、それを見つけるためのツールも想像力もまだない現象を探すことです」と彼は語った。