超軽量暗黒物質の探究

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

SLAC国立加速器研究所（SLAC）の全長2マイル（約3.2キロメートル）のビームパイプを光速の99.9999999%で疾走する電子にとって、その最期は残酷なものだ。エンドステーションAへの最後の激突だ。1960年代後半から70年代初頭にかけて、このような衝突によって陽子と中性子が分解され、それらを構成する素粒子が明らかになった。この発見により、実験リーダーはノーベル賞を受賞した。「エンドステーションAはSLACにおける聖地です」と物理学者のティモシー・ネルソンは語った。

倉庫の奥へ歩き、山積みの機器を通り過ぎながら、ネルソンは、歴史的な加速器の幹ほどの大きさのパイプが途切れた先の、古い実験装置の骨組みを指差した。彼によると、間もなく建設される実験装置によって、ダークマターの新たな候補物質として最も有力視されているものの1つが、ここで発見されるか、あるいはすぐに除外されることになるという。

約1世紀前、スイスの天体物理学者フリッツ・ツビッキーは、目に見える質量ではまとまらないほど速く回転しているように見える銀河団について記述しました。彼は、目に見えない物質が重力によってこの状況に寄与しているのではないかと提唱しました。証拠は次々と増え、現在では宇宙の物質の85%は隠されていると研究者たちは考えています。しかし、暗黒物質の正体に関する謎は未だに解明されていません。

数十年にわたり、研究者たちは2種類の粒子候補に注目してきました。それは、弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）とアクシオンです。これらは暗黒物質の最も単純な定式化であり、それぞれの粒子は他の物理学上の謎を巧みに解明するでしょう。しかし、約40年にわたるこれらの粒子の無駄な探索（暗黒物質が通常のWIMPで構成されている可能性はほぼ完全に排除されました）を経て、物理学者たちは暗黒物質の正体についてはるかにオープンな見方を持つようになりました。もしかしたら、暗黒物質は全く単純なものではないのかもしれません。可視物質と同様に、暗黒物質は様々な粒子のファミリーから構成されているのではないかと考える人もいます。

「最も一般的な仮説は、これがどういうわけか単純であるというものです。一体なぜそんなことを期待するのでしょうか？」とスタンフォード大学の理論物理学者フィリップ・シュスター氏は言います。「それは、過去200年間、自然が私たちに伝えようとしてきたことではないのです。」

WIMPやアクシオンのパラダイムから離れれば、ダークマターが単一の粒子で構成されているという考えはおそらく諦めざるを得なくなるでしょう。代わりに、新しいモデルでは、非常に軽い実体が多数存在し、これらは弱く相互作用する粒子と呼ばれることもあります。今日のダークマターハンターは、これらの粒子の中でも特に「軽いダークマター」と「超軽いダークマター」という2つのカテゴリーに注目しています。軽いダークマターはWIMPのより軽いバリエーションと考えることができ、超軽いダークマターはさらに軽いアクシオンで構成されています。

より軽量で相互作用が弱い暗黒物質候補が数多く浮上しており、それらを探すために世界中でより小型で高速な実験が数多く開発されている。

2019年、米国エネルギー省はダークマター・ニュー・イニシアチブ・プログラムを立ち上げ、従来のダークマター検出研究で数十年かかるところを数年で迅速に結論に導く実験研究に資金を提供しています。現在、これらのプロジェクトのいくつかは建設開始の準備が整っています。また、ヨーロッパとアジアでも、可能性空間の様々な領域を標的とした実験が開発中です。

「1920年代、30年代の素粒子物理学を振り返ると、大学や個人の寄付者による小規模な研究が中心でした。こうした小規模な研究が最終的にこの分野に革命をもたらしました」とシュスター氏は述べた。「第二次世界大戦後、研究は大規模で大きなプロジェクトへとシフトしました。小規模な実験研究は衰退の一途を辿ったのです。」

シュスター氏と、同じくスタンフォード大学の物理学者であるナタリア・トロ氏は、隠された粒子の可能性という干し草の山の中から針（あるいは針群）を見つける取り組みに参加している。

「より低質量の暗黒物質領域が、非常に似た物理特性を持っています」とトロ氏は述べた。「理論的には非常に合理的で、実験的にも実現可能です。ただ、まだその領域を徹底的に調べようとはしていません。おそらく、そうすべきでしょう。」

WIMPとアクシオン

WIMPは、質量が陽子の約1倍から10万倍の範囲にあり、原始起源のストーリーと見事に一致する。WIMPは、ビッグバンの間に大量に形成され、その後適切な速度で対消滅し、今日の宇宙に残された暗黒物質、いわゆる熱的遺物となるのに適切な質量と相互作用の強さを持っている。

WIMP は、「WIMP の奇跡」により暗黒物質の寵児にもなった。WIMP の仮定上の質量範囲と相互作用は、既知の素粒子の魅力的な仮説的拡張である超対称性によって予測される粒子の 1 つのプロファイルに適合する。

1990年代以降、WIMPが弱い力を介して陽子や中性子と時折相互作用する兆候を探す実験が行われてきました。しかし、これらの探索は成果を上げていません。これは、WIMPが弱い力を介して相互作用する力が、予想よりもさらに弱くなければならないことを意味します。ある時点で、WIMPの相互作用強度は熱残留モデルと一致しないほど弱くなってしまうのです。

WIMPの探索はまだ終わっていないものの、探索できる場所はそれほど多く残されていない。検出器は弱い相互作用をする物質の粒子を見つけるのに非常に効果的になったため、太陽からやってくるニュートリノによって事実上盲目になっているとトロ氏は述べた。「つまり、WIMPの検出時代は終わりを迎えたと言えるでしょう。」

初期の有力候補のもう一つであるアクシオンは、非常に軽量であるため、粒子というより波のように振る舞います。これは、光子などの質量のない粒子に対する私たちの理解に似ています。これらの候補粒子は、独自の素粒子物理学における奇跡を起こし、「強いCP問題」を解決します。簡単に言えば、素粒子物理学の法則は、原子核を結びつける強い力が、粒子の電荷と「パリティ」が反転した場合でも同じ振る舞いをするのはなぜかを説明していません。この「CP対称性」は、物理学が欠如していることを示唆しています。アクシオンは、強い相互作用を安定化させる微小な力場を介して対称性を確保する方法として導入されました。

数十年にわたり、アクシオン探索実験が行われてきましたが、その速度は極めて遅いものでした。第一世代の検出器は、ノイズとアクシオンとの相互作用によるかすかな信号を区別するために、長時間の測定を必要としました。その結果、アクシオンの質量範囲のごく一部しか探査されていません。しかし、今のところアクシオンは発見されていません。

軽い暗黒物質

2008年頃までに、WIMPに似ているが、より小さい暗黒物質粒子の概念が浮上し始めました。物理学者にとって、この「軽い暗黒物質」は、まるで異国の地で見慣れた顔を見つけるようなものです。提案されている粒子は、通常の物質と同程度の質量範囲、つまり電子から陽子サイズまで存在します。（陽子の質量は約1,800個の電子に相当します。）

しかし、弱い相互作用をする粒子の質量が陽子程度の質量を下回ると、初期宇宙においてそれほど容易に衝突して消滅することは不可能になります。したがって、軽い暗黒物質が熱的残存物と一致するためには、暗黒物質粒子に影響を及ぼす少なくとも1つの未知の力が存在する必要があります。

自然界のあらゆる力は、力を伝える粒子によって媒介されます。軽い暗黒物質に関連する仮説上の力を媒介する粒子は、「ポータル粒子」の一種であり、通常の物質と暗黒物質の間の橋渡しをします。トロ氏によると、「軽い」ポータル粒子は軽い暗黒物質と相互作用し、通常の物質とはごく弱く相互作用します。有力な候補の一つは、よく知られている光子の直接的な類似体である暗黒光子です。ヒッグス粒子のような粒子や、類似体が知られていない力を伝える粒子など、他のポータル粒子も考えられます。

SLACが計画しているプロジェクト「光暗黒物質実験（LDMX）」が資金を獲得した場合（エネルギー省の決定は今後1年ほどになる見込み）、光暗黒物質の探査が行われる。この実験は、エンドステーションAにあるタングステン製の標的に向かって電子を加速する。高速で移動する電子とタングステン原子核の衝突では、ほとんどの場合、特に興味深い現象は起こらない。しかし、稀に（もし光暗黒物質が存在するとすれば、1万兆回に1回程度）、電子は未知の暗黒力を介して原子核と相互作用し、光暗黒物質を生成して電子のエネルギーを大幅に消費する。

10,000兆というのは、実は軽い暗黒物質にとって最悪のシナリオです。これは、熱残留測定と一致する暗黒物質を生成できる最低の速度です。しかしシュスター氏によると、軽い暗黒物質は1,000億回の衝突に1回以上の頻度で発生する可能性があるとのことです。もしそうだとすれば、実験で計画されている衝突率を考えると、「それは途方もない量の暗黒物質を生成できることになる」ことになります。

ネルソン氏は、熱残留光暗黒物質を確実に検出、あるいは排除するには、LDMX を 3 年から 5 年稼働させる必要があると述べた。

超軽量暗黒物質

他の暗黒物質ハンターたちは、実験を別の候補に向けて調整している。超軽量暗黒物質はアクシオンに似ているが、もはや強いCP問題を解く必要がない。そのため、通常のアクシオンよりもはるかに軽量で、電子質量の1兆分の1の10億分の1ほどの軽さになることもある。この微小な質量は、小さな銀河と同じくらい長い波長を持つ波に相当する。実際、質量はこれ以上小さくすることはできない。もし小さくなれば、波長がさらに長くなり、天文学者が観測するように暗黒物質が銀河の周囲に集中することができなくなるからだ。

超軽量ダークマターは信じられないほど小さいため、その相互作用を媒介するために必要なダークフォース粒子は質量が大きいと考えられています。「これらの媒介粒子には名前が付けられていません」とシュスター氏は言います。「なぜなら、いかなる実験も不可能だからです。理論の整合性を保つために存在しなければなりませんが、私たちはそれを気にしていません。」

超軽量暗黒物質粒子の起源は理論モデルによって異なりますが、トロ氏によると、それらはビッグバン後に発生したはずなので、熱残留説は無関係です。それらについて考える動機は異なります。これらの粒子は、物理学の基礎理論の候補である弦理論から自然に導かれます。弦理論によれば、これらの微弱な粒子は、私たちの4次元宇宙の各点において、6つの小さな次元が丸まり、あるいは「コンパクト化」されることによって生じます。「軽いアクシオンのような粒子の存在は、様々な弦理論のコンパクト化に強く起因しています」とイリノイ大学の物理学者ジェシー・シェルトン氏は述べています。「そして、これは私たちが真剣に受け止めるべきことです。」

加速器を用いて暗黒物質を作り出すのではなく、アクシオンや超軽量暗黒物質を探す実験では、私たちの周囲に存在するとされる暗黒物質の探知に努めています。重力の影響に基づくと、暗黒物質は天の川銀河の中心付近に最も密集しているように見えますが、ある推定によると、地球上でも、1立方センチメートルあたり陽子質量のほぼ半分の密度を持つと予想されます。実験では、強力な磁場を用いて、この常に存在する暗黒物質を検出しようとします。理論的には、エーテル状の暗黒物質は時折、強い磁場から光子を吸収し、それをマイクロ波光子に変換します。この光子は実験で検出可能です。

ダーク周波数の探査を目的とした2つの実験が提案されています。スタンフォード大学のDMラジオとワシントン大学のADMX-EFR（アクシオン暗黒物質実験拡張周波数範囲）です。どちらの実験も当初はアクシオンの探索を目的としていましたが、現在はより軽い変種の探索に改訂されています。

エネルギー省の資金決定を待つ両実験の最大の課題は、予測されるマイクロ波光子の微弱さにある。この微小な信号を処理するには、システム固有の量子ジッター以外のすべての実験ノイズを除去する必要があるが、研究者たちはこのハードルは克服できると考えている。

研究者たちが微弱な粒子からの微かな信号を待つ間、暗黒物質に関する他の仮説は依然として議論の的となっている。一部の理論物理学者は、この目に見えない物質がビッグバン中に形成された原始ブラックホールの形をとる可能性があるという、長らく無視されてきた考えを再考し始めている。もう一つの可能​​性は、現在の重力理論が完全には正しくないというものだ。しかしながら、今のところ、競合する重力理論はあまり注目を集めていない。

「現時点では、正直に言って、誰もが推測しているだけだ」とシュスター氏は語った。

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。