非常に困難な探索を説明するときに、「干し草の山の中に落ちた１本の針を見つけるようなものである」という表現がよく使われています。その針がどのような形をしているのか、どれくらいの大きさなのか見当がつかなかったと仮定します。おそらく、針は予想よりも １,０００ 分の１ 小さいかもしれません！その場合、その難しさは暗黒物質（ダークマター）の研究領域に近いものかもしれません。
宇宙の現状を説明するためには暗黒物質（および暗黒エネルギー）の存在が必要ですが、その最も基本的な性質でさえ、ほとんど何もわかっていません。そのため、科学者たちは暗黒物質を理解しようと、さまざまな研究に取り組んできました。そのひとつが、SLAC国立加速器研究所、ロスアラモス国立研究所（LANL）、CSUイーストベイ、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、サンタクララ大学の科学者たちによる共同プロジェクト「Search for Particles of Light Dark Matter with Narrow-gap Semiconductors」、略して「SPLENDOR」1です。
研究者たちは探索の際に次のことを使用しています。 Moku:Proは、15 を超えるソフトウェア定義の計測器を提供する FPGA ベースのテストおよび測定デバイスです。を活用して データロガー 楽器と木 Python API、チームは非常に高感度のDM検出器を作成し、予期せぬ場所、つまり最も一般的な検出器の範囲をはるかに下回るエネルギースケールで暗黒物質（DM）を探索できるようにしました。
課題
物理学では、素粒子のサイズは通常、質量の単位ではなく、エネルギー、特に電子ボルト (eV) で表されます。 これら２つの量は、アインシュタインの有名な質量エネルギー等価式によって関連付けられています。 たとえば、電子の静止質量は約５１１ keV です。 典型的な暗黒物質実験では、MeV から GeV、または場合によってはそれ以上のエネルギー範囲で、WIMP やアクシオンなどの理論化された粒子を探索します。 一方、SPLENDOR は１ MeV 以下のエネルギースケールに注目しており、そのため「軽い」暗黒物質という用語が生まれています。 ただし、この範囲で実験を実行するには、柔軟な新しい暗黒物質検出器が必要です。
提案されている暗黒物質粒子のエネルギーが低いことを考慮すると、非常に高感度な検出器が必要となります。 この点において、SPLENDOR は LANL の豊富な材料科学の歴史を活用して、１ ～ １００ meV の範囲のバンドギャップを持ち、光 DM イベントを検出するのに十分な感度を備えた新しい半導体デバイスを作成します。 ダークマター粒子が半導体内の材料に衝突すると、小さな電流応答が生成されます。 ただし、これらのイベントはランダムな時間に発生するため、電流応答は室温の電子機器のノイズで簡単に失われる可能性があります。
ソリューション
こうした非常に低エネルギーな事象を正確に記録するため、研究チームは市販の希釈冷凍機を用いて検出器パッケージ（図１参照）を０.０１Kまで冷却している。このセットアップにより電気ノイズが最小限に抑えられ、リアルタイムで事象をモニターできるクリーンな環境が提供されます。
図 1. 軽い暗黒物質の検出スキーム。左: コンパクトな極低温ハウジングに取り付けられた半導体ベースの暗黒物質検出器の写真。写真提供：ロスアラモス国立研究所。右: 10 mK から室温までの測定チェーンの概略図。プレプリントより転載2.
クライオスタット内で、SPLENDORチームは、異なる温度段階でイベント電流信号を増幅する巧妙な２HEMT方式も考案しました（図１）。この方法により、希釈用冷蔵庫から信号を安全に取り出し、室温で記録することができます。検出器がない場合のシステムの入力ノイズを測定することで、研究チームは約７e、つまり個々の電子の電荷の７倍の分解能が期待できると報告しています。
しかし、それでも、研究者にとって都合のよいタイミングで暗黒物質粒子が現れるとは限りません。軽い DM イベントを検索するには、システムを常に監視する必要がありますが、チームはデータ ロガーを使用してこれを実現しました。図 2 に示すように、クライオスタットからの出力ラインは Moku:Pro の入力チャンネルに接続されています。
図 2: SLAC での SPLENDOR 実験装置。ラックに取り付けられた Moku:Pro は、図に示されている Oxford Proteox 希釈冷蔵庫内にある検出器からのイベントを検出する準備ができている。写真提供：SLAC National Accelerator Lab.
研究者が暗黒物質イベントをスキャンする準備ができたら、データ ロガーは１分以上のウィンドウでシステムを継続的に監視するように設定されます。 Moku:Pro 入力の電圧は時間の関数として記録され、「イベント」を表す急激に指数関数的に上昇するピークが現れます。
ただし、これらのイベントの一部は振幅が低く、肉眼では簡単に検出できません。イベントが現れるにはデータの後処理が必要です。幸いなことに、データ ファイルは、組み込みの Moku:Pro ファイル コンバーターを使用してネイティブ .li 形式から .csv、.npy、または .hdf5 に簡単に変換でき、Python にインポートしてさらに分析することができます。 SPLENDOR によって収集されたデータがどのように処理および処理されるかについて詳しくは、当社の Web サイトをご覧ください。 SPLENDAQ のブログ投稿、LANL 研究者のサミュエル・ワトキンス博士によって開発されたオープンソースのデータ分析ツール。
Watkins博士は、プロジェクトに参加してからMoku:Proを使い始めましたが、データロガーはカスタムのデータ収集（DAQ）システムを使うよりも優れていると述べています。
Watkins博士は次のように述べています。「Mokuのような汎用システムがすでに存在する中で、私たちはある種の自家製 DAQ を作成するために膨大な開発時間を節約しています。また、ほとんどの場合、最初にMokuアプリの GUI を使用するので、さまざまな設定を変更するときにライブデータを簡単に確認できます。 自分たちでGUIを作成するのは、集中的なプログラミング作業になります。」
結果
どの検出器構成が軽い暗黒物質イベントを捕捉するのに最も効率的かは、まだ正確には不明です。 しかし、SPLENDORチームは新しい測定ツールを導入したことで、多くの新しい検出器設計と半導体の組み合わせを迅速に繰り返すことができるようになり、感度をさらに高め、暗黒物質の秘密を探ることができるようになっています。Watkins博士は、この取り組みにおいて Moku:Pro とそのソフトウェアの標準化が役割を果たすと考えています。
「Moku は、データ収集の面で私たちの分野で一般化されたオープンソース ソフトウェアを利用できるようにするという目標を達成するのに役立つと確信しています」と彼は言いました。 「私たちには、 Moku:Go イベント構築用の SPLENDAQ パッケージ、そして Moku API のオープンソースの性質がなければ、研究室に一度行っただけでシステムをセットアップすることはできなかったでしょう。」
詳細については、arXiv2のプレプリントをお読みください。
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脚注
[1] レポート番号 LA-UR-24-20436
[2] J. Anczarski et al. Two-stage cryogenic HEMT based amplifier for low temperature detectors. arXiv:2311.02229 [physics.ins-det], 2023.
