暗黒物質がどこに隠れているかに関する新たな理論

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

宇宙の構造を理解する上で、科学者が実在すると考えるもののほとんどは、暗く曖昧な領域に閉じ込められています。私たちが目で見て触れることができる通常の物質は、宇宙のわずか5%を占めています。宇宙学者によると、残りは暗黒エネルギーと暗黒物質、つまりその真の姿を私たちが知らないことを反映して「暗黒」と呼ばれる謎の物質です。

宇宙について私たちが知りたいことの全てを単一の概念で説明できる可能性は低いが、2年前に発表されたある概念は、いくつかの大きな疑問に答える可能性がある。「暗黒次元シナリオ」と呼ばれるこのシナリオは、暗黒物質の具体的なレシピを提示し、暗黒物質と暗黒エネルギーの間に密接な関係があることを示唆している。また、このシナリオは、宇宙を最も大きなスケールで形作る重力が、他の力に比べてなぜそれほど弱いのかを解明するかもしれない。

このシナリオは、量子力学とアインシュタインの重力理論を統合しようとする、既に複雑な弦理論の領域に存在する、まだ見ぬ次元を提唱している。弦理論は、3つの無限に広大な空間次元と1つの時間次元という、よく知られた4つの次元に加えて、6つの極めて小さな空間次元が存在することを示唆している。

暗黒次元の宇宙では、これらの余剰次元の一つが他の次元よりも著しく大きい。陽子の直径の1兆分の1であるのに対し、その直径は約1ミクロンだ。日常的な基準では微小だが、他の次元と比べれば巨大だ。この暗黒次元では、重力を運ぶ質量の大きい粒子が生成され、それが暗黒物質を構成している。科学者たちは、暗黒物質は宇宙の約25%を占め、銀河を結びつける接着剤の役割を果たしていると考えている。（現在の推定では、残りの70%は宇宙の膨張を駆動している暗黒エネルギーで構成されている。）

「このシナリオにより、弦理論、量子重力、素粒子物理学、宇宙論を結びつけ、それらに関連するいくつかの謎に取り組むことができる」と、暗黒次元の提案を積極的に調査しているソルボンヌ大学の物理学者イグナティオス・アントニアディス氏は述べた。

ダークディメンションの存在を示す証拠はまだありませんが、このシナリオは宇宙論的観測と卓上物理学の両方において検証可能な予測を導き出しています。つまり、この仮説が実証的な検証に耐えられるかどうか、あるいは当初の期待を全く果たせなかった魅力的なアイデアのリストに追いやられるかどうかは、すぐにわかるかもしれません。

「ここで想定されている暗黒次元は、今後の実験がより鮮明になるにつれ、かなり簡単に排除される可能性があるという利点がある」とベンガルールの国際理論科学センター所長の物理学者ラジェシュ・ゴパクマール氏は述べた。

暗黒の次元を占う

ダークディメンションは、宇宙定数に関する長年の謎に着想を得たものです。宇宙定数はギリシャ文字「ラムダ」で表され、アルバート・アインシュタインが1917年に重力方程式に導入しました。多くの同時代の研究者と同様に宇宙は静止していると信じていたアインシュタインは、方程式が膨張宇宙を記述しないようにこの項を追加しました。しかし1920年代に天文学者たちは宇宙が実際に膨張していることを発見し、1998年には、現在一般的にダークエネルギーと呼ばれるもの（方程式ではラムダで表されます）によって宇宙が加速的に成長していることを観測しました。

それ以来、科学者たちはラムダの際立った特徴の一つに取り組んできた。プランク単位で10の^-122乗という推定値は「物理学で測定された最小のパラメータ」だと、ハーバード大学の物理学者カムラン・ヴァファ氏は述べた。2022年、研究チームの二人、現在マドリード理論物理学研究所に所属するミゲル・モンテロ氏と、現在欧州原子核研究機構（CERN）に所属するイレーネ・バレンズエラ氏と共に、その計り知れないほどの小ささについて検討していたヴァファ氏は、ある洞察を得た。これほど小さなラムダは真に極端なパラメータであり、弦理論におけるヴァファ氏のこれまでの研究の枠組みの中で考えることができるかもしれない、と。

以前、彼と他の研究者たちは、重要な物理パラメータが極端な値をとった場合に何が起こるかを説明する仮説を提唱していました。「距離予想」と呼ばれるこの仮説は、抽象的な意味での「距離」を指しています。つまり、あるパラメータが可能性の限界に向かって動き、極端な値をとると、他のパラメータにも影響が及ぶということです。

したがって、弦理論の方程式では、粒子の質量、ラムダ、相互作用の強さを規定する結合定数といった重要な値は固定されていません。一つを変えると、必然的に他の値にも影響が及びます。

例えば、観測されているように、ラムダが非常に小さい場合、ラムダの値に直結する質量を持つ、はるかに軽く、弱い相互作用をする粒子が伴うはずである。「一体何なのだろうか？」とヴァファは考えた。

彼と同僚たちはその疑問について熟考する中で、距離予想と弦理論を組み合わせることで、もう一つの重要な洞察が得られることに気づいた。ラムダがほぼゼロの時にこれらの軽量粒子が出現するには、弦理論の余剰次元の1つが他の次元よりも著しく大きくなければならない。おそらく、その存在を検知し、さらには測定できるほどの大きさでなければならない。彼らは暗黒次元に到達したのだ。

ダークタワー

推定される光粒子の起源を理解するには、宇宙史をビッグバン後の最初のマイクロ秒まで巻き戻す必要があります。当時、宇宙は放射線、つまり光速に近い速度で移動する光子やその他の粒子によって支配されていました。これらの粒子は既に素粒子物理学の標準モデルによって記述されていますが、暗黒次元のシナリオでは、よく知られている粒子同士が衝突することで、標準モデルに含まれない粒子群が出現する可能性があります。

「時々、これらの放射線粒子は互いに衝突し、いわゆる『暗黒重力子』を作り出します」と、暗黒重力子の理論構築に貢献したオックスフォード大学の物理学者ジョルジュ・オビエ氏は述べた。

「質量のない重力子が一つあります。それは私たちが知っている通常の重力子です」とオビド氏は述べた。「そして、無限に多くのダーク・グラビトンのコピーがあり、それらはすべて質量を持っています。」 仮定されているダーク・グラビトンの質量は、大まかに言えば、定数Mの整数倍で、その値は宇宙定数と結びついています。そして、幅広い質量とエネルギーレベルを持つダーク・グラビトンの「塔」が存在しているのです。

これがどのように機能するのかを理解するために、私たちの4次元世界を球面として想像してみてください。私たちは、良くも悪くもその表面から決して離れることはできません。これは標準模型のあらゆる粒子にも当てはまります。

しかし、重力子はどこにでも行くことができます。重力がどこにでも存在するのと同じ理由です。そして、そこに暗黒次元が登場するのです。

その次元を想像するには、私たちの四次元世界の想像上の表面上のあらゆる点を考え、そこに小さなループを結び付ければよいとヴァファ氏は述べた。そのループは（少なくとも図式的には）余剰次元である。標準モデルの粒子2つが衝突して重力子を生成すると、重力子は「その余剰次元の円に漏れ出し、波のようにその周りを移動することができる」とヴァファ氏は述べた。（量子力学によれば、重力子や光子を含むすべての粒子は、粒子としても波としても振る舞うことができる。これは100年前の概念で、波動粒子二重性と呼ばれている。）

重力子が暗黒次元に漏れ出すと、それらが生み出す波は異なる周波数を持つ可能性があり、それぞれが異なるエネルギーレベルに対応します。そして、これらの質量の大きい重力子は、余剰次元のループを周回することで、ループが球体に接する点で大きな重力の影響を生み出します。

「もしかしたら、これがダークマターなのだろうか？」とヴァファは考え込んだ。彼らが作り出した重力子は、結局のところ、相互作用は弱いものの、ある程度の重力を発生できる。このアイデアの利点の一つは、重力子が重力の担い手として初めて提唱されて以来、90年も物理学の一部となっていることだと彼は指摘した。（ちなみに、重力子は仮説上の粒子であり、直接検出されたことはない。）ダークマターを説明するために「新しい粒子を導入する必要はない」と彼は言った。

マックス・プランク物理学研究所所長で暗黒次元の構想に直接取り組んでいないゲオルギ・ドヴァリ氏は、余剰次元領域に漏れ出す可能性のある重力子は「暗黒物質の自然な候補」だと述べた。

仮定されている暗黒次元のような大きな次元には長波長が存在できる余地があり、これは低周波数、低エネルギー、低質量の粒子の存在を意味する。しかし、もし暗黒重力子が弦理論の微小次元の一つに漏れ出た場合、その波長は非常に短く、質量とエネルギーは非常に高くなる。このような超大質量粒子は不安定で寿命も非常に短い。「それらはとっくに消滅しており、現在の宇宙において暗黒物質として機能する可能性はないだろう」とドヴァリ氏は述べた。

重力とその媒介物である重力子は、弦理論のあらゆる次元に浸透している。しかし、暗黒次元は他の余剰次元よりもはるかに大きく（桁違いに大きい）、もし重力がより広い暗黒次元に著しく浸透すると、その強さは薄められ、私たちの4次元世界では弱く見えるようになる。「これが重力と他の力の間の（強さの）並外れた差を説明する」とドヴァリ氏は述べ、同じ効果が他の余剰次元のシナリオでも見られるだろうと指摘した。

ダークディメンションのシナリオはダークマターのような事象を予測できるため、実証的な検証が可能である。「検証できない相関関係を提示しても、私が間違っていることを証明することは決してできません」と、ダークディメンションに関する最初の論文の共著者であるヴァレンズエラ氏は述べた。「実際に証明または反証できるものを予測する方がはるかに興味深いのです。」

闇の謎

天文学者たちは、1978年、ヴェラ・ルビンが銀河が非常に高速で回転しているため、銀河の最外縁部の星々は、目に見えない物質の巨大な貯蔵庫によって抑制されていなければ、はるか遠くへ投げ出されてしまうだろうと証明して以来、暗黒物質の存在を（少なくとも何らかの形で）知っていました。しかし、その物質を特定することは非常に困難であることが判明しています。暗黒物質を検出するための実験的努力が40年近くも続けられてきたにもかかわらず、そのような粒子は未だ発見されていません。

ヴァファ氏は、たとえ暗黒物質が極めて弱い相互作用をする暗黒重力子であることが判明したとしても、状況は変わらないと述べた。「直接発見されることは決してないだろう」

しかし、それらの重力子の兆候を間接的に発見する機会があるかもしれない。

ヴァファ氏と共同研究者が追求している戦略の一つは、銀河と物質の分布を示す大規模な宇宙論調査を活用することだ。オビド氏によると、これらの分布には「クラスター形成の挙動に小さな違い」が見られる可能性があり、それがダークグラビトンの存在を示す可能性があるという。

重いダークグラビトンが崩壊すると、質量の合計が親粒子の質量よりわずかに小さい、より軽いダークグラビトンのペアが生成されます。失われた質量は運動エネルギーに変換され（アインシュタインの公式E = mc ²に従う）、新たに生成されたグラビトンに若干の加速を与えます。その「キック速度」は光速の約1万分の1と推定されます。

これらのキック速度は、銀河の形成に影響を与える可能性があります。標準的な宇宙論モデルによれば、銀河は物質の塊から始まり、その重力によってさらに物質が引き寄せられます。しかし、十分なキック速度を持つ重力子はこの重力から逃れることができます。もし逃れることができれば、結果として得られる銀河の質量は、標準的な宇宙論モデルが予測するよりもわずかに小さくなります。天文学者はこの差を探すことができます。

キロ度サーベイによる最近の宇宙構造の観測は、これまでのところ暗黒次元と整合している。同サーベイのデータの分析により、キック速度の上限がオビド氏らの予測値に非常に近いことが示された。より厳密な検証は、昨年7月に打ち上げられたユークリッド宇宙望遠鏡によって行われる予定だ。

一方、物理学者たちは暗黒次元の考え方を実験室で検証する計画も立てている。もし直径1ミクロンの暗黒次元に重力が漏れ出ているなら、原理的には、同じ距離にある2つの物体間の予想される重力からの偏差を調べることができる。この実験を実施しているオーストリア科学アカデミーの物理学者、アーミン・シャイエギ氏は、「これは容易な実験ではない」と述べた。しかし、「この実験を行わなければならない理由は単純だ」と彼は付け加えた。「これほど近い距離で重力がどのように振る舞うかは、実際に見てみなければ分からないからだ」。

これまでで最も近い測定は、2020年にワシントン大学で行われたもので、2つの試験天体間の距離は52ミクロンでした。オーストリアの研究チームは、最終的に暗黒次元で予測されている1ミクロンの範囲に到達することを期待しています。

物理学者たちは暗黒次元の提案に興味をそそられる一方で、それが実現するかどうか懐疑的な見方もしている。「より精密な実験を通して余剰次元を探すのは非常に興味深いことです」と、高等研究所の物理学者フアン・マルダセナ氏は述べた。「ただし、発見される確率は低いと思います」

オックスフォード大学の物理学者ジョセフ・コンロン氏も、同様の懐疑的な見解を示している。「もし真実なら重要だが、おそらくそうではないアイデアは数多くあります。これはその一つです。この仮説の根拠となる仮説はやや野心的で、現時点での証拠はむしろ弱いと考えています。」

もちろん、証拠の重みは変化する可能性があり、だからこそ私たちはそもそも実験を行うのです。ダークディメンションの提案は、今後の実験によって裏付けられれば、ダークマターとは何か、それがダークエネルギーと重力の両方とどのように関連しているのか、そしてなぜ重力が他の既知の力と比べて弱く見えるのかという理解に一歩近づく可能性を秘めています。「理論家は常にこの『結び付け』を試みています。ダークディメンションは、この分野で私が耳にした中で最も有望なアイデアの一つです」とゴパクマール氏は述べました。

しかし皮肉なことに、ダークディメンション仮説では説明できない唯一のことが、宇宙定数がなぜこれほどまでに驚くほど小さいのかということだ。この不可解な事実こそが、この一連の研究の発端となった。「確かに、このプログラムではその事実を説明できません」とヴァファ氏は認めた。「しかし、このシナリオから言えることは、もしラムダが小さければ――そしてその帰結を詳しく説明すれば――一連の驚くべきことが起こり得るということです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。