概要
アルバータ大学では、研究者たちが暗黒物質検出技術を向上させるための超高感度デバイスの開発に取り組んでいます。そのためには高精度の測定が必要であり、最初は研究室でのプロトタイプとして、最終的には地下２kmに設置されるオンライン・モニタリング・システムが必要です。Moku:Labでは、そのコンパクトなフォームファクタと多用途性により、研究者がさまざまな環境で実験を実施して、暗黒物質に対する検出器の感度を決定することができます。
課題
暗黒物質は宇宙の質量の８０％以上を占めると推定されていますが、物理学における最大の謎のひとつとなっています。その存在は、通常の物質に対する重力効果によって推測されてきましたが、科学者たちは暗黒物質粒子の観測を期待して、検出器技術の開発に懸命に取り組んでいます。アルバータ大学の物理学助教授であるMarie-Cecile Piro博士のグループは、NEWS-G（New Experiments with Spheres - Gas）実験と共同で、ネオンガスとメタンガスを含む球形比例計数管と呼ばれる検出器の開発に取り組んでいます。
図１: 地下２ km のSNOLABに設置中の NEWS-G 実験の暗黒物質検出器 (画像は NEWS-G 共同制作より)。
暗黒物質が検出器と相互作用する確率は、検出器内のメタンの量に直接関係します。 「メタンの量は検出器の感度に影響を与えます。たとえ１% の差でも大きな影響を及ぼします。そのため、非常に高精度の測定が必要です」とPiro博士は言いました。 「私たちは現在、修士課程の教授と一緒に開発を行っています。学生のCarter Garrahさんは、物理データを分析する際に暗黒物質に対する感度を抽出できるよう、メタンを ppb レベルで検出するためのレーザー分光法技術を開発しました。」
プロトタイプ測定システムの初期開発と特性評価は、Piro博士の研究所で行われますが、最終的には実験を宇宙線から守るために地下２ km に設置された主検出器とともに配備される予定です。検出器内のメタン濃度をライブで継続的に監視することは、検出器のアクティブなターゲット特性を長期にわたって保証するために不可欠です。
ソリューション
アルバータ大学の研究者は、測定性能、柔軟性、コンパクトな設計の組み合わせに基づいてMoku:Labを選択しました。 Moku:Labのロックイン アンプを使用すると、非常に小さな信号を検出して、検出器内のメタン レベルを正確に測定できます。内蔵オシロスコープは、信号処理チェーンのさまざまなポイントで信号を視覚化し、実験のトラブルシューティングや最適化を行います。 「これは、たとえば、問題を理解し、必要な設定を決定するなど、試運転中に非常に役立ちます。」とPiro博士は述べています。
図２: プロトタイプのレーザー分光測定システムのブロック図。検出器からのガスは LAS チューブを通って循環し、そこでレーザー分光法がメタン濃度の検出に使用される。 Moku:Lab はフォトダイオードの出力信号を検出し、ダイオード レーザーを駆動するためのエラー信号を生成する (画像はCarter Garrah氏より)。
Moku:Labのコンパクトなフォームファクターは、ラボでの作業を容易にし、システムの準備が整えば、主検出器をモニターするためにMoku:Labを導入できることを保証します。iPadのワイヤレス・ディスプレイを使えば、測定をコントロールしながらラボ内を動き回ることができます。このプロジェクトや関連プロジェクトの他の側面を探求する際にも、統合された追加機器へのアクセスに役立つことが期待できます。
図３: 研究室にあるレーザー分光測定システムのプロトタイプの物理セットアップ (画像はCarter Garrah氏より)。
結果
暗黒物質の探索には多くの謎が残されています。未知のことが非常に多いため、研究室の設備を整えるのは難しいかもしれませんが、Piro博士のチームは Moku:Lab で可能性を探ることを楽しみにしています。 「Moku:Lab を導入すれば、信号の分析やガス濃度の監視に役立ちますが、他の用途もきっと見つかるでしょう。」とPiro博士は述べています。 Moku:Lab の高精度ロックインアンプは、宇宙についての理解を深めようとする NEWS-G 検出器の暗黒物質に対する感度を決定するために不可欠な機器です。
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