超高感度暗黒物質探索で奇妙な結果が判明

世界で最も感度の高い暗黒物質探査実験を行っている物理学者たちは、奇妙な現象を目撃した。彼らは検出器内で、アクシオンと呼ばれる仮説上の暗黒物質粒子のプロファイルに合致する可能性のある、予想外の過剰な事象を発見したのだ。あるいは、このデータはニュートリノの新たな性質によって説明できるかもしれない。

もっと平凡な話としては、信号は実験内部の汚染から発生する可能性がある。

「この過剰分に興奮している一方で、我々は非常に忍耐強くあるべきだ」と、シカゴ大学の物理学者で、163人が参加するXENON1Tと呼ばれる実験のリーダーの一人であるルカ・グランディ氏は述べた。グランディ氏によると、トリチウム原子による汚染の可能性を排除するためには、この実験の後継実験が必要になるという。この実験は今年後半に開始される予定だ。

外部の専門家は、退屈な説明はたいてい正しいと言う。しかし、必ずしもそうではない。XENON1Tが発見をした可能性だけでも、注目に値する。

「もしこれが新しい粒子だと判明すれば、私たちがこの40年間待ち望んでいた画期的な発見となる」と、この実験には関わっていないフランスのパリ・サクレー大学の素粒子物理学者アダム・ファルコウスキー氏は述べた。「もしこれが事実なら、この発見の重要性は計り知れない」

素粒子物理学者たちは、素粒子物理学の標準モデルとして知られる粒子と力の集合を超えた、より完全な自然界の記録を求めて、長年探求を続けてきました。そして20年間、XENON1Tのような実験は、宇宙全体に重力を及ぼす目に見えない物質である暗黒物質を構成する未知の粒子を特に探し求めてきました。

XENON1Tの信号が、暗黒物質の最有力候補であるアクシオン、あるいは非標準ニュートリノから来たものであれば、「明らかに非常に興味深いものになるでしょう」と、カリフォルニア工科大学の理論物理学者キャスリン・ズレック氏は述べた。しかし今のところは、「トリチウムによるありふれた説明の方が、私にとってはより可能性が高い」とズレック氏は付け加えた。

論文で述べられている結果は、XENON1T検出器内部で発生する「電子反跳」と呼ばれる事象の積み重ねです。3.2トンの純粋なキセノンをセンサーで覆ったタンクを備えたこの検出器は、イタリアのグラン・サッソ山の地下数千フィートに位置しています。化学的に不活性で「貴元素」であるキセノンは、もし未知の粒子が飛び込んできた場合にその波紋を観測するための静かな観測プールとなります。

XENONシリーズの実験は、もともと「弱い相互作用をする巨大粒子」（WIMP）と呼ばれる重い仮説上の暗黒物質粒子を探すために設計されました。検出器を通過するWIMPは、時折キセノン原子核と衝突し、閃光を発生させるはずです。

しかし、14年間にわたり、より大型で感度の高い検出器を用いて探査を続けてきたにもかかわらず、研究者たちはこれらの反跳核を観測できていない。他の貴元素や物質のタンクで反跳核を探す競合実験でも、同様に観測できていない。「これは長きにわたる物語であり、私たちは皆、非常に絶望的です」と、キセノンを用いた検出法を考案し、それ以来キセノン実験を主導してきたコロンビア大学の素粒子物理学者、エレナ・アプリーレ氏は述べた。

WIMP の探索が成果を上げなかったため、XENON の科学者たちは数年前、自分たちの実験を利用して、検出器を通過する可能性のある他の種類の未知の粒子、つまりキセノン原子核ではなく電子に衝突する粒子を探索できることに気づきました。

研究者たちはかつて、こうした「電子反跳」を背景ノイズとして扱っていました。実際、こうした事象の多くは放射性鉛やクリプトン同位体といったありふれた発生源によって引き起こされています。しかし、長年にわたり改良を重ね、背景汚染を劇的に低減させた結果、研究者たちは低レベルノイズの中に信号を見つけることができることを発見しました。

物理学者たちは新たな分析で、XENON1T実験の初年度分のデータに含まれる電子反跳を調べた。彼らは、既知の背景汚染源によって引き起こされるこれらの反跳が約232個観測されると予想していた。しかし、実験では285個が観測され、53個も余剰となった。これは、説明のつかない汚染源の存在を示している。

研究チームはこの発見を約1年間秘密にしていた。「私たちはひたすら研究を続け、理解しようと努めてきました」とアプリル氏は語った。「かわいそうな生徒たちですからね！」考えられる限りのあらゆる誤差要因を排除した後、研究者たちはデータプロットの隆起の大きさと形状に合致する3つの説明を導き出した。

まず、おそらく最も興味深いのは「太陽アクシオン」です。これは太陽内部で生成される仮説上の粒子で、光子に似ていますが、質量はごくわずかです。

最近太陽で生成されたアクシオンは、太古の昔から宇宙を形作ってきた暗黒物質ではあり得ません。しかし、今回の実験で太陽アクシオンが検出されれば、アクシオンが存在することを意味します。「そのようなアクシオンは初期宇宙でも生成され、その後暗黒物質の一部を構成する可能性があります」と、アクシオンとその検出方法について理論化してきたスタンフォード大学の素粒子物理学者ピーター・グラハム氏は述べています。

研究者らは、XENON1Tの隆起から推定される太陽アクシオンのエネルギーはアクシオン暗黒物質の最も単純なモデルには当てはまらないが、より複雑なモデルであればおそらく両立できるだろうと述べた。

もう一つの可能性は、自然界で知られている粒子の中で最も謎めいたニュートリノが大きな磁気モーメントを持つ可能性です。つまり、小さな棒磁石のような性質です。このような性質により、ニュートリノは電子との散乱速度が速くなり、電子反跳の過剰を説明できます。グラハム氏は、ニュートリノが磁気モーメントを持つことは「標準模型を超えた新しい物理を示唆するため、非常に興味深い」と述べました。

しかし、キセノンタンク内に希少な水素同位体であるトリチウムが微量存在し、その放射性崩壊によって電子反跳が発生する可能性もある。この可能性は「確認も否定もできない」とXENON1Tチームは論文に記している。

外部の研究者たちは、ファルコウスキー氏の言葉を借りれば、「赤ではなくオレンジ色の旗」が、この退屈な答えを示唆していると言う。最も重要なのは、太陽がアクシオンを生成するなら、すべての星もアクシオンを生成するということだ。これらのアクシオンは、沸騰するやかんの蒸気がエネルギーを奪うように、星から少量のエネルギーを奪う。赤色巨星や白色矮星のような非常に高温の星では、アクシオン生成が最も活発になるはずで、このエネルギー損失は星を冷やすのに十分なはずだ。「白色矮星は非常に多くのアクシオンを生成するので、今日のように高温の白色矮星が見られることはないでしょう」とズレック氏は述べた。

大きな磁気モーメントを持つニュートリノも同様に不利とされてきた。標準的なニュートリノと比較すると、それらのニュートリノは星の内部で自然発生的に多く生成され、観測される以上に星のエネルギーを奪い、高温の星を冷却すると考えられる。

しかし、その論理に欠陥があるかもしれないし、あるいはXENON1Tの反跳現象は別の粒子や効果によって説明できるかもしれない。幸いなことに、物理学界は答えを待つ時間は長くないだろう。XENON1Tの後継実験であるXENONnT実験は、8.3トンのキセノンの反跳現象を観測する予定で、今年後半にデータ収集を開始する予定だ。「もし過剰が実際に存在し、同じレベルであれば」とグランディ氏は述べ、「数ヶ月のデータ収集で（可能性を）区別できるようになると期待しています」と続けた。

「一つ確かなことは」と、シカゴ大学の暗黒物質物理学者で、今回の実験には関わっていないフアン・カラー氏は述べた。「XENONプログラムは暗黒物質分野における先駆者であり続けています。最も感度の高い実験こそが、最初に予期せぬ結果に遭遇することになるのです。そして、XENONは依然としてその貴重なポールポジションをしっかりと維持し続けています。」

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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