悪名高い暗黒物質信号に問題が発生

イタリアのDAMAと呼ばれる実験では20年にわたり、暗黒物質から来ていると思われる振動信号を検出してきた。暗黒物質とは、宇宙を満たし、その重力であらゆるものを形作っているとされる目に見えない粒子の霧のことである。

暗黒物質粒子を探す最古かつ最大規模の実験の一つであるDAMAは、暗黒物質を観測したと主張している唯一の実験機関です。DAMAは、仮説上の粒子と通常の原子との間の稀な相互作用を捉えることを目指しています。しかし、もし目に見える世界と見えない世界の間のこうした相互作用が本当にDAMAのデータを生み出しているのであれば、おそらく他のいくつかの実験でも既に暗黒物質を検出しているはずです。しかし、実際にはそうではありません。

先月末、DAMAの長年のリーダーであるローマ・トル・ヴェルガータ大学のリタ・ベルナベイ氏は、さらに6年間の測定結果を発表しました。彼女は、DAMAの信号はこれまでと同様に強力に見えると報告しました。しかし、実験に関与していない研究者たちは、その後、信号源が暗黒物質であるという説に反論する強い反論を展開しています。

DAMAは、WIMP（弱い相互作用をする巨大粒子）と呼ばれる暗黒物質の候補物質を探索する。科学者たちは、アペニン山脈のグラン・サッソ山の地下深くに保管されているヨウ化ナトリウム結晶の配列を監視し、結晶内の原子核と暗黒物質粒子が衝突することで発生する可能性のある放射線の閃光を探している。太陽系が銀河系を猛スピードで移動する様子は、「まるでWIMPの風が吹きつけてくるように見える」と、1986年にこのような実験のアイデアを共同で考案したミシガン大学の物理学者キャサリン・フリーズ氏は説明する。「車を運転しているときに、雨がフロントガラスに吹き込んでくるように見えるのと同じです」

この仮説とまさに一致して、DAMAの科学者たちは、結晶内の核活動が年間を通して変化することを発見しました。信号は常に6月にピークに達し、地球が暗黒物質で満たされた銀河系を最も速く移動する時期です。そして12月には谷となります。この時期は、地球が銀河系を周回する太陽の運動と反対の軌道に入り、暗黒物質の風に対して地球の速度が遅くなる時期です。

DAMA/LIBRAフェーズ2と呼ばれるこの実験の最新実行は2011年に開始されました。地球を6周回するデータを取得した後、研究チームは暗黒物質と一致する季節的な信号を継続的に観測していると報告しています。ベルナベイ氏はQuantaへのメールで、「年間の変調特性と採用された手順により、多数の暗黒物質候補に対する感度が保証されます」と述べています。

外部の専門家は異なる見方を示した。4月4日に物理学のプレプリントサイトarxiv.orgに投稿された論文で、3人の物理学者が、標準的なダークマターWIMPでは新しいDAMA信号を生成できないことを示した。「誰もが愛するあの典型的な信号は、もう存在しないのです」と、ノースフロリダ大学の学生セバスチャン・バウムとクリス・ケルソーと共に新論文を執筆したフリーズ氏は述べた。

フリーズ氏らは、DAMAデータの新たな特徴に注目した。DAMA/LIBRAフェーズ2のアップグレードの一環として、グラン・サッソのチームはハードウェアを交換し、検出器をヨウ化ナトリウム結晶内の低エネルギー励起に感度を持たせた。ベルナベイ氏は、低エネルギー反跳核の年間変動が、高エネルギー反跳核の信号と概ね類似していると報告した。

しかし、もし普通のWIMPが本当に年周変動の原因であるなら、低エネルギー反跳は高エネルギー反跳に対して変化するはずだとフリーズらは書いている。彼らは、暗黒物質粒子が軽いか重いかによって、6月から12月の間の核活動は、低エネルギーでは高エネルギーよりもはるかに劇的に、あるいははるかに小さく変化するはずであることを発見した。WIMPが軽いなら、DAMAはWIMPが重いヨウ素原子よりも低エネルギーで軽いナトリウム原子と衝突するのをはるかに頻繁に観測するはずだ。全体的に見ると、DAMAの信号は超低エネルギー反跳で最も強くなるはずだ。一方、重いWIMPは低エネルギーでほぼ独占的にヨウ素原子と相互作用し、ナトリウムとはほとんど相互作用しない。全体的に見ると、その場合、信号は最低エネルギーのイベントを観測するにつれて弱まるだろう。

むしろ、DAMA/LIBRAフェーズ2のデータではどちらの変化も見られず、「これは暗黒物質では説明が難しい」とロンドン大学キングス・カレッジの理論物理学者ジョナサン・デイビス氏は述べた。

バウム、フリーズ、ケルソーの3人は論文の中で、WIMPがねじれを持つ場合でも観測される年周変調を生成できることを示している。ねじれとは、陽子を中性子よりも優先する性質であり、WIMPはヨウ素（中性子数が多い）よりもナトリウムと相互作用する頻度が高くなる。しかし、複数の物理学者は、この特殊な「アイソスピンの破れ」特性は、グラン・サッソの地下に設置されている3.2トンの液体キセノン検出器XENON1Tなど、他の暗黒物質実験の結果にも影響を与えた可能性が高いと述べている。XENON1Tでは、このような影響は観測されていない。

XENON1T、そしてLUXやPICOといったキャッチーな名前を持つ他の暗黒物質検出器における不気味な沈黙は、既に多くの専門家のDAMAへの期待を薄れさせていた。様々な物質における核活動の兆候を探すこれらの実験は、一連の否定的な結果を発表し、DAMAの信号と一致する可能性のあるWIMPの大部分を除外している。（アクシオンなどの他の暗黒物質候補は、これらの実験では検証できない。）

しかし、暗黒物質がヨウ化ナトリウムに対して説明のつかない親和性を持つ可能性も考えられていました。しかし、4月4日の分析によってその考えは変わりました。「この論文でうまく示されているのは、（…）DAMAを他の実験を参照するのではなく、それ自体で除外できるということです」と、チューリッヒ大学の物理学者で、XENON1Tを運営する共同研究チームのメンバーであるローラ・バウディス氏は述べています。

DAMA信号を暗黒物質で説明するのは困難だが、他の方法で理解するのも同様に困難だ。専門家たちは何十年もの間、より平凡な説明を模索してきた。「いくつか提案され、すぐに否定されてきました」と、CoGeNT暗黒物質実験を率いるシカゴ大学の物理学者、フアン・カラー氏は言う。「私自身、良い説明を思いつくことができません。」

デイビス氏は2014年のフィジカル・レビュー・レターズ誌で、この年間変動は、7月に地球に最も激しく衝突するミューオンと、1月にピークを迎える太陽ニュートリノの組み合わせに起因すると主張した。しかし、他の物理学者たちはすぐに、後者の季節的影響は、少なくともデイビス氏が提唱した方法では、信号を生成するには小さすぎることを示しました。話題を呼んでいるカリフォルニア大学バークレー校の物理学者ダニエル・マッキンゼー氏は、この信号はアルゴンの汚染に起因する可能性があると主張しています。アルゴンの特定の同位体は、季節によって放射性崩壊の程度が異なります。しかし、この説明は、DAMAが手順の1つのステップで使用する窒素にアルゴンが含まれている場合にのみ成り立ちますが、その含有量は不明です。

多くの研究者は、ベルナベイ氏とDAMAチームの透明性の欠如が、何が起こっているのかを理解する取り組みを遅らせていると述べています。例えば、フリーズ氏と共著者による分析の限界の一つは、DAMAが低エネルギーで背景効果が増幅されるのか減少するのかに関する情報を公開していないことです。そのため、外部の研究者はこれらの効果が既に補正されていると想定してしまいます。

「もし彼らがデータを共有するなど、コミュニティに完全にオープンになれば、年間変動の原因を究明できると確信しています」とデイビス氏は述べた。しかし、DAMAの科学者たちは最終的なデータプロットのみを提示し、自分たちの信号が暗黒物質の証拠であると強く主張し、それと異なる見解を示す者に対しては「闘争的な姿勢」を取っているとデイビス氏は述べた。

他のグループも積極的に活動を開始せざるを得ませんでした。今後数年間で、ANAIS、COSINE-100、そしてグラン・サッソとオーストラリアの地下研究所に拠点を置くSABREという3つの新たなヨウ化ナトリウム結晶実験が成果を上げ始める予定です。夏と冬が逆転する南半球で実験を再現することで、SABREは季節の影響を排除します。

「物理学が実験科学である限り、知識を進歩させる唯一の方法は測定の改善です」とカラー氏は述べた。補完的な実験で変調が観測されない場合、「DAMA異常を諦めざるを得なくなります」とカラー氏は述べた。あるいは、それに似た現象が観測される場合、「他の検出器材料による観測結果のゼロ点もすべて説明できる暗黒物質モデルの構築に尽力しなければなりません」とカラー氏は述べた。

「経験から言うと、それはダークマターではない可能性が高い」と、ニューヨーク大学の理論物理学者ニール・ワイナー氏は述べた。「しかし、それが何か興味深いものである可能性は十分にあると確信しています。」

フリーズ氏は、結局のところ、新たなデータの公開と彼女のグループの分析は全体像を変えるものではないと述べた。「DAMAで一体何が起こっているのかを解明するには、同じ材料で作られた検出器を、異なる人々が、そして世界の異なる場所で作らなければなりません」と彼女は言った。「なぜなら、誰もDAMAを理解していないからです」

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。