サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設において、かつて金鉱として採掘が行われていた地下約1,500メートルの空間で、物理学者らが長年追い求めてきた瞬間が訪れた。暗く密閉された冷たい液体のタンク内で、極めて微小な光の閃光と電気的信号が観測された。この装置こそが、ダークマターの直接検出を目指す最先端の検出器である。
2023年6月16日の午後3時22分から39秒後、ブラックヒルズの地下1マイルで突然の閃光が走った。タンクの多くのカメラにとらえられたこの閃光は、液体に沈められた髪の毛のように細いワイヤーを通して電気的な電荷も送り込んだ。このタンクはLUX-ZEPLIN（LZ）実験の中核を成すものであり、物理学者たちが宇宙の質量の85%を占めながらも正体が分かっていない暗黒物質（ダークマター）を捉えて研究するための取り組みの一つである。ダークマターは電磁放射や光と相互作用しないため、星や惑星、私たちの体を構成する原子を作っている電子、陽子、中性子から構成されることはあり得ない。
地下1マイルの巨大タンクがとらえた謎の閃光
10トンの超高純度液体キセノンで構成された検出器からのデータ分析により、通常の物質からの既知のバックグラウンド信号では説明できない単一の粒子相互作用が示された。テキサス大学オースティン分社の理論物理学者であるキャサリン・フリーゼ氏は、「私はもう、なんというか40年間、陽性結果を待ち続けていました。ですから、LZの結果に非常に、非常に興奮していると言えます」と語っている。宇宙空間を見渡した際に見える宇宙は、ダークマターなしでは説明がつかない。私たちが追跡できる物質はあまりにも速く渦巻き、あまりにも密度が高く急速に塊を形成しており、目に見える物質と比較して、光を放たず重力の重みを運び続ける目に見えず不活性な物質が5倍多く存在すると考えるのが最も容易な説明となる。
サウスダコタ州の地下施設で記録された事象について、研究に参加するチューリッヒ大学の物理学者クヌート・モラー氏は、装置が狙い通りに機能していると強調する。装置の感度が極限まで高められていることを理由に挙げ、同氏は「私たちは、そのような事象を観測したときにメーターの針が振れるように装置を作りました。すべてが意図した通りに機能しています」と述べている。
WIMPの可能性と予想外のエネルギー
この潜在的な検出は、ダークマターの有力な仮説上の粒子候補の一つである弱い相互作用をする大規模粒子（WIMP）と、日常的な粒子との間での単一の疑わしい相互作用の形でもたらされた。WIMPは、通常の物質を幽霊のようにほとんどすり抜けるが、非常にまれに原子とランダムに衝突して相互作用するはずであるという推測に基づいている。もし今回の事象が2つのWIMPの稀な相互作用によって引き起こされたのであれば、この仮説上の粒子についていくつかの事実が判明することになる。まず、この信号はWIMPの質量が陽子の質量の約200倍であることを示しており、さらに、これまで最も単純なモデル化では予測されていなかった方法で通常の物質と相互作用することを示唆している。
しかし、この衝突は彼らが探し求めてきたダークマターの信号の種類とは一致しないという側面もある。LZがこのような高エネルギーのWIMP事象を発見するためには、標準的な理論のほとんどによれば、それよりも穏やかな数十から数百の事象をすでに観測していなければならなかったが、それは観測されていない。そのため、LZが目撃したものがWIMPであるならば、この粒子はさらに大規模なものである必要がある。
統計的確実性と今後の検証プロセス
このデータ分析を担当したイギリス・ブリストル大学のチームリーダーであるサム・エリクセン氏は、詳細な検証作業について言及している。バックグラウンド事象の原因を徹底的に調査した経緯を説明し、同氏は以下のように述べている。
「これは、このデータセット内で私たちがこれまで探索していなかった領域における詳細な研究であり、バックグラウンド事象の考えられるすべての原因を理解するために数か月の追加努力を費やしました。私たちは検出器とバックグラウンドを非常によく理解しているため、私たちが発見したような単一の傑出した事象でさえ重要です。」 サム・エリクセン（チームリーダー、イギリス・ブリストル大学）
現時点では、この事象が統計的な偶然である確率、いわゆる統計的フルークである確率は約0.5パーセントであり、素粒子物理学実験で発見を宣言するために使用される0.00003パーセントの閾値よりは依然として高い状態にある。既知のバックグラウンドによってこの事象が説明できる可能性が0.5パーセント残っているため、結果はまだ確定的なものではない。LZがダークマター科学において最大規模のデータセットを収集し続ける中で、チームはこの事象の有意性が高まるのか、それとも薄れていくのかを判断することになる。WIMPと物質の相互作用は非常に稀であるため、WIMPダークマターの存在を確認し、宇宙の最も神秘的な物質の構成を解明するには、このような検出がわずか数回あれば十分であると期待されている。エリクセン氏は、「私たちはダークマター事象が極めて稀であると予想しているため、ほんの一握りだけでもWIMPダークマターの最初の検出を示す可能性がある」と述べている。このチームの結果は、日本の2026年TeVPAカンファレンスでの発表に加え、Physical Review Letters誌にも投稿されている。