地球上に点在する20近くの地下実験室で、科学者たちは液体の入った容器や金属や半導体の塊を用いて、暗黒物質の証拠を探している。実験はますます複雑になり、探索はより精密になっているが、イタリアの実験室から発信された、議論の多い信号を除けば、宇宙の物質の84%を構成すると考えられているこの謎の物質の直接的な証拠は未だ見つかっていない。
新たな研究は、さらに深く調べる必要があることを示唆している。
クアンタマガジン
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。
暗黒物質は、通常のバリオン物質（星、銀河、犬、人間など、あらゆるものを構成する物質）とは異なり、重力（そしておそらくは弱い核力）以外ではいかなるものとも相互作用しません。私たちには見えませんが、物理学者たちは暗黒物質が存在し、銀河とその宇宙における軌道を形作っていることをほぼ確信しています。
数十年にわたり、暗黒物質粒子の有力候補として挙げられてきたのは、弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）と呼ばれる、仮説上の控えめな存在です。多くの実験では、WIMPが通常の物質に衝突して衝撃を与えた証拠を探すことで、WIMPの探索が行われています。このシナリオでは、WIMPは弱い力によって原子核に接触します。衝撃を受けた原子核は反動し、閃光や音波など、何らかのエネルギーを放出します。このようなほとんど感知できない現象を検出するには、高感度の機器が必要であり、通常は地中深くに埋められます。これは主に、原子核の反動を引き起こす可能性のある、不規則に進路を外れた宇宙線から機器を保護するためです。
科学者たちは数十年にわたり、こうしたかすかな音を探してきたが、確固たる証拠はほとんど見つかっていない。今、ポーランド、スウェーデン、米国の物理学者チームが新たな考えを提唱している。地殻の下に埋もれた検出器のゲルマニウムやキセノン、シンチレーターではなく、地球の地殻そのものに目を向けるべきだと彼らは主張する。太陽系の過去の物語が眠る岩石の記録の中に、驚いた原子核の反動運動の化石、つまりWIMPの凍りついた足跡が見つかるかもしれないのだ。
「私たちは常に、物事を行うための代替手段を探しています」と、ミシガン大学の理論物理学者であり、現在稼働中のいくつかの検出器の背後にあるアイデアの立案者であるキャサリン・フリーズ氏は語った。
キャサリン・フリーズは暗黒物質検出器に関する数々のアイデアを考案してきた。彼女のアイデアのいくつかは実験に応用されている。ジョン・スモック／クォンタ・マガジン
フリーズ氏らによると、地下に設置する古生物検出器は、現在の直接検出法と同様の仕組みで動作するという。WIMPの反跳をリアルタイムで観測するために、実験室に大量の液体や金属を設置する代わりに、WIMPが原子核に衝突した際の化石痕跡を探すのだ。原子核が反跳すると、一部の鉱物に損傷跡が残る。原子核が十分な勢いで反跳し、その影響を受けた原子が地中深くに埋もれれば（データを濁らせる宇宙線から試料を守るため）、反跳跡は保存される可能性がある。そうなれば、研究者は岩石を掘り起こし、時間の層を剥ぎ取り、原子間力顕微鏡などの高度なナノイメージング技術を用いて、はるか昔の出来事を調査できるかもしれない。最終結果は化石痕跡、つまり捕食者から逃げる竜脚類の足跡を見つけるのと同じような、暗黒物質の痕跡となるだろう。
タイニータップ
約5年前、フリーズ氏は、現在ストックホルム大学に所属する物理学者アンジェイ・ドゥルキエ氏と、新しいタイプの検出器のアイデアを練り始めました。ドゥルキエ氏は暗黒物質検出の研究でキャリアをスタートさせ、その後生物物理学に転向しました。生物学者ジョージ・チャーチ氏と共同で考案したアイデアの一つは、DNAと酵素反応に基づく暗黒物質検出器でした。
2015年、ドゥルキエは地中に設置する生物検出器の試作機の開発のため、ロシアのノボシビルスクを訪れた。ロシアで彼は、冷戦時代に掘削された掘削孔の存在を知った。その一部は深さ12キロメートルに達するものもあった。宇宙線はそこまで到達できない。ドゥルキエは興味をそそられた。
典型的な暗黒物質検出器は比較的大型で、突発的な事象に対して非常に敏感です。これらの検出器は数年にわたって探索を行いますが、そのほとんどはリアルタイムのWIMPの検出を目的としています。鉱物は比較的小型でWIMPとの相互作用に対する感度が低いものの、数億年単位の探索期間となる可能性があります。
「非常に深いコアから採取されたこれらの岩石の塊は、実に10億年前のものです」とドゥルキエ氏は述べた。「深く潜れば潜るほど、より古いものになります。つまり、検出器を作る必要がなくなるのです。地中に検出器があるのです。」
地球には独自の問題がある。地球は放射性ウランで満ち溢れており、ウランは崩壊する際に中性子を生成する。これらの中性子は原子核をも揺さぶる。フリーズ氏によると、古生物検出器について記述したチームの最初の論文ではウラン崩壊によるノイズが考慮されていなかったが、他の関心を持つ科学者たちから多数のコメントが寄せられたため、論文をやり直すことになったという。チームは2か月かけて数千種類の鉱物を研究し、ウラン崩壊で分離された鉱物を特定した。彼らは、最も優れた古生物検出器は海洋蒸発岩（基本的には岩塩）か、超塩基性岩と呼ばれるシリカをほとんど含まない岩石で構成されると主張している。さらに、水素はウラン崩壊で発生する中性子を効果的に遮断するため、水素を多く含む鉱物も探している。
岩塩として知られる岩塩は、暗黒物質検出器として使用できる可能性のある超塩基性岩石です。ジェリー・パレント
マサチューセッツ工科大学の理論物理学者で、この研究には関わっていないトレイシー・スラティヤー氏は、反跳現象の化石を探すのは低質量のWIMPを探す良い方法かもしれないと述べた。
「一見何の理由もなく飛び跳ねる原子核を探すことになりますが、それを観測するには、ある程度の跳躍が必要です。ピンポン球をボウリングのボールに跳ね返らせたとしても、ボウリングのボールがあまり動いているのを見ることはできません。そうでなければ、ボウリングのボールの動きのごくわずかな変化を捉えることができなければなりません」と彼女は述べた。「これはそれを実現する新しい方法です。」
最も困難な実験
関連するフィールドワークは容易ではないだろう。研究は地下深くで行われ、コアサンプルは宇宙線や太陽放射から保護される必要がある。また、原子核の移動の証拠を解明するには最先端のナノイメージング技術も必要となる。たとえWIMPが目に見える痕跡を残したとしても、古物質検出器にとって最大の懸念は、化石の痕跡が本当に暗黒物質粒子によるものであることを確認することだとスラティアー氏は述べた。研究者たちは、反跳現象が中性子や太陽ニュートリノ、あるいは他の何かによるものではないことを納得させるのに多くの時間を費やす必要があるだろうと彼女は述べた。
「宇宙線を遮蔽するためにかなり深いところまで探査できるという説得力のある主張を彼らはしています」と彼女は言った。「しかし、これは管理されたシステムではありません。実験室でもありません。これらの岩石堆積物の歴史を詳しく知らないかもしれません。たとえそこから信号が得られたと主張したとしても、何らかの背景放射が観測されていないと確信するには、さらに多くの研究が必要になるでしょう。」
ドゥルキアー氏とフリーズ氏は共に、古生物検出器の強みは数にあるかもしれないと述べた。岩石には多数の鉱物が含まれており、それぞれが原子核を持ち、WIMPの襲来によって異なる方法で反動する。したがって、異なる元素がそれぞれ異なる検出器として機能し、それらが1つのコアサンプルにまとめられることになる。フリーズ氏によると、これにより実験者は様々な反動スペクトルを観察できるようになり、証拠を裏付け、WIMPの質量に関する結論を導き出す可能性もあるという。将来的には、古生物学者が化石記録から地球上の生命の歴史を再構築できるように、古生物検出器がWIMPの記録を時系列で提供できるようになるかもしれない。
スラティアー氏にとって、この長期記録は、天の川銀河の暗黒物質ハローを解明する上で他に類を見ない手段となる可能性がある。暗黒物質ハローとは、太陽系が銀河系の中心を2億5000万年かけて公転する中で、地球が通過する目に見えない物質の雲である。スラティアー氏は、天の川銀河の暗黒物質ハローの分布を理解することで、その物理的挙動に関する知見が得られる可能性があると述べた。さらに、暗黒物質が重力を超えた方法で相互作用しているかどうかも明らかにできる可能性がある。
「ここは理論とモデリングがまだ活発に開発されている分野です」と彼女は語った。
しかし、それはまだ現実には程遠い。フリーズ氏とドゥルキアー氏によると、原理実証的な古粒子検出器はまず、太陽ニュートリノなどの既知の粒子が残した反跳飛跡を検出できることを実証する必要があるという。そして、WIMPの飛跡をこれらの通常の反跳飛跡から分離できることを証明しなければならない。
「これは視点の大きな変化です」とドゥルキエ氏は語った。「暗黒物質は見つかるのでしょうか？ 私は35年間、それを探し続けてきました。これはおそらく世界で最も難しい実験なので、幸運に恵まれるかどうかは分かりません。でも、素晴らしいことです。」
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。
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