数十年の探索を経て、物理学者は暗黒物質に近づいているのか?

宇宙は目に見える以上のもので構成されています。望遠鏡では、それぞれに数十億個の星が含まれる無数の銀河が明らかになりますが、物理学者や天文学者は、目に見える物質はいわば氷山の一角にすぎず、85個ほどの目に見えない暗黒物質も存在しているに違いないと信じています。宇宙の質量のパーセント。暗黒物質が何でできているのかは誰も知りませんが、科学者たちは、暗黒物質が光などの電磁放射と相互作用しないものであると確信しています。そうでなければ、私たちはそれを見ることができるでしょう。しかし、数十年にわたる探索ではこの暗黒物質を直接検出することはできず、研究者らは探索戦略を拡大する必要があるのではないか、あるいは重力の仕組みを再考する必要があるのではないかと考えている。

暗黒物質の存在の根拠は 1930 年代に遡ります。当時、天文学者は銀河の回転速度を分析し、観測されたスピン速度を説明できるほど十分な目に見える物質が存在しないことを発見しました。これらのいわゆる回転曲線は、星が移動する速度を銀河の中心からの距離の関数としてプロットしたものですが、各銀河内に見える星、ガス、塵の量に基づいて説明することはできませんでした。

それ以来、銀河団の調査からさらなる証拠が得られています。地球とクラスターの間にある目に見えない物質の重力の影響により、クラスターの形状が歪むことがあります。 「重力レンズ」として知られるこの効果は、暗黒物質の概念をさらに裏付けるものとなります。時折、銀河団が互いに衝突することが観察されます。衝突の力学を注意深く観察すると、ペアの両方のメンバーに付随する目に見えない物質の存在が明らかになる可能性があります。この効果は、いわゆるバレット銀河団で最も劇的に見られます。この銀河団は、天の川銀河から約 37 億光年離れたところに位置する、衝突する一対の銀河団であり、銀河団同士の衝突の結果を示しているように見えます。衝突のコンピュータシミュレーションは、暗黒物質が通常の物質と同じくらいその過程を推進したことを示唆している。さらに別の一連の証拠は、宇宙マイクロ波背景放射、つまり初期の宇宙から残された放射線の観測から得られており、これは電波望遠鏡で研究することができます。空全体に広がるこの放射線は、「ホット」スポットと「コールド」スポット、つまりより強い放射線とより弱い放射線の領域を示していますが、これは暗黒物質の概念を持ち出すことなく説明するのが困難です。

これらの観察は説得力がありますが、すべて間接的なものです。研究者らは依然として暗黒物質粒子を直接捕捉したいと考えている。

過去数十年にわたり、暗黒物質は「弱く相互作用する巨大粒子」（WIMP）で構成されているというのが有力な理論だ。WIMPとは、約140億年前のビッグバンの際に作られたと考えられている素粒子のことである。現在、これらの粒子は宇宙に散らばっているはずですが、通常の物質との相互作用が弱いため、検出するのは非常に困難です。そして、多くの高度な実験によって WIMP が探索されてきましたが、決定的な痕跡は見つかっておらず、一部の科学者は暗黒物質がまったく別のものからできているのではないかと考えています。

「WIMPは人気がなくなってきていると思います」とトロントのヨーク大学の理論物理学者ショーン・トゥーリンは言う。これらのとらえどころのない粒子の探索が続く一方で、同僚の多くは「他の代替手段を探索することに非常に喜んでいる」と彼は言う。

科学者たちは現在、ほぼ一世紀にわたる謎を解明するために、より幅広い探索戦略と、潜在的な暗黒物質候補のより長いリストに注目している。

実験室での暗黒物質探索はまだ成功していませんが、物理学者は暗黒物質の粒子が持つ可能性のある質量の範囲を制限することに成功しています。 8月、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設にあるLUX-ZEPLIN実験の研究者らは、陽子の約10倍を超える質量を持つWIMPを除外したと発表した。結果は、以前の WIMP 検索よりも約 5 倍高感度です。

LUX-ZEPLIN の結果は「美しく、技術的な傑作です」とマサチューセッツ工科大学の理論物理学者、トレイシー・スラティア氏は言います。 「彼らが限界をここまで押し下げることができたのは注目に値します。」

LUX-ZEPLIN の結果では重い WIMP は除外されていますが、より軽い WIMP が存在する可能性は依然としてあります。そして、より高感度の実験が軽量の WIMP の探索を続ける一方で、必然的に自然の限界に遭遇するでしょう。最終的には、そのような実験は非常に高感度になるため、太陽の核で生成されるほぼ質量のない素粒子であるニュートリノを検出するでしょう。他の高エネルギー天体物理環境でも。研究者はこの限界を「ニュートリノフロア」と呼んでいます。

「最終的には、背景が [signal] ニュートリノからの信号は、実際には暗黒物質からの信号を圧倒します」とトロント大学の実験物理学者ミリアム・ダイアモンドは言います。物理学者がその段階に到達すると、検出される可能性のある暗黒物質粒子は大量のニュートリノ検出の海に埋もれてしまうでしょう。

研究者たちがこのニュートリノの底に近づくにつれ、当然のことながら、WIMP 以外の暗黒物質の候補について考えるようになります。

「人々がそれをかなり確信していた時期があった [the dark matter particle] それは WIMP でした、そしてそれは素晴らしい話でした」とスラティアは言います。 「しかし、絶対に WIMP でなければならないと信じる人はもういないと思います。」

アクシオンとして知られるエキゾチックな粒子から原始ブラックホール、そして無菌ニュートリノとして知られる仮説上の新種のニュートリノに至るまで、他にも多くの暗黒物質候補が提唱されている。ダークマターは複数の種類の粒子で構成されている可能性もあり、理論家は複数の種類のダークマター粒子で構成される「ダークセクター」全体の存在を示唆しています。

「私たちが『暗黒物質』と呼ぶものは、実際には複数の種類の暗黒物質粒子である可能性があるという考えを考慮する必要があります」とダイアモンド氏は言う。 「ポケモンみたいな感じですね。全部捕まえなければなりません。」

非 WIMP 候補の中で、アクシオンが新たなお気に入りになる可能性があります。アクシオンは、物理学者が素粒子物理学の標準モデル (既知の基本粒子とその相互作用を記述する枠組み) を開発していた 1970 年代に初めて仮説が立てられました。アクシオンが存在する場合、原子核を結合する強力な核力に関係する特定のパズルが解けるでしょう。

WIMP と同様に、アクシオンは宇宙のごく初期に生成されたと考えられています。時間が経つにつれてそれらは凝集し、暗黒物質がそうであると信じられているように、これらの凝集体の重力の増大によって銀河の進化が導かれることになる。しかし、アクシオンは WIMP よりもさらに軽いと考えられているため、同様にとらえどころがなく、検出が困難です。

「アクシオンは宇宙初期に自然に生成され、今日の暗黒物質のすべてを説明できるほど豊富に存在します」とスタンフォード大学の理論物理学者ピーター・グラハムは言う。 「それらがWIMPよりもはるかに軽いという事実は、観測された暗黒物質のエネルギー密度を得るには、その数密度がはるかに高くなければならないことを意味します。」

現在、さまざまな研究室がアクシオンの探索を行っていますが、これまでのところ最終的な結果は得られていません。

物理学者が実験室で暗黒物質を探している一方で、天文学者は深宇宙で暗黒物質の証拠を探すための独自の戦略を持っています。彼らの観察は、私たちの天の川を含むほとんどの銀河が、銀河の目に見える部分をはるかに超えて広がる暗黒物質の球状の殻である暗黒物質の「ハロー」に囲まれていることを示唆しています。これらのハローは目に見えませんが、銀河の暗黒物質を間接的に研究することができます。たとえば、新世代の宇宙望遠鏡は、暗黒物質の粒子が互いに衝突する兆候を探索します。このような衝突では、ガンマ線望遠鏡で観測できる高エネルギー放射線のバーストが発生します。もう 1 つの戦略は、私たちの銀河の近くにある「恒星ストリーム」として知られるリボン状の星の帯を研究することです。これらの流れの位置と動きを追跡すると、暗黒物質が銀河内にどのように分布しているかを明らかにすることができます。

「多くの素粒子物理学者が天体物理学者になりつつあります。なぜなら、そこには暗黒物質に関連した興味深いパズルがたくさんあるからです。また、これから大量の新しいデータが入ってくるからです」とトゥーリン氏は言う。 「そのため、天体物理学コミュニティでは大きな興奮が起こっています。」

もう 1 つの可能性は、やや遠い話のように思われますが、暗黒物質は実際には存在せず、代わりに重力について私たちが完全に理解していない何かがあるということです。重力に関する私たちの最良の理論は、わずか 100 年以上前にアルバート アインシュタインによって開発された一般相対性理論です。これまでのところ、すべてのテストに見事に合格しています。しかし、それでもなお、一部の理論家は微調整すべきだと主張している。おそらく、アインシュタインの方程式をわずかに調整すれば、暗黒物質問題は単純に解決するだろう。 WIMP もアクシオンもありません。数世紀前の方程式にわずかな調整を加えただけです。しかし、暗黒物質の証拠を研究してきた物理学者らは、それはそれほど単純ではないと言う。修正された重力理論は銀河の回転曲線を説明できるかもしれないが、銀河団の観測、重力レンズ、宇宙マイクロ波背景からのデータを説明する簡単な方法はないと彼らは言う。これらはすべて目に見えない暗黒物質を指し示している。

「重力を変更することは魅力的だと思います。なぜなら、他の粒子セクター全体を仮定するよりも簡単に見えるからです。しかし、それは実際には間違った議論だと思います」とトゥーリンは言う。 「重力の働きを修正するために飛び越える必要があるフープは、実際には、宇宙にはこの追加の要素があると単に仮定することに比べて、はるかに複雑であることが判明しました。これは、さまざまな観測を説明するのに非常にうまく機能します。」

今のところ、物理学者たちは最新の実験の精度に興奮しているようだが（長年人気のWIMPの可能性はまだ排除されていない）、また、数十年にわたる研究にもかかわらず、実験室で決定的な結果が得られなかったことにも不満を抱いているようだ。

多くの天文学者や物理学者にとって、暗黒物質を理解することは研究を進める上で最も差し迫った問題です。少なくとも、暗黒物質の謎を解決できれば、宇宙の基本物理学が解明されるだろうとスラティア氏は言う。 「もしこれを解明できれば、それは人間の好奇心の偉大な成果だと思います」と彼女は言う。 「明らかに、70年かかるよりは7年かかるほうがいいと思います。」