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暗黒物質のトップ候補は、最も小さな競合他社に負ける


奇妙なことに、宇宙の重さのほとんどは、電子よりも何十億倍も軽い粒子の形で発生する可能性があります。厚い大群で宇宙を流れるこれらのかすかな「アクシオン」粒子は、目に見えるすべての物質を 6 対 1 で上回っているように見える失われた暗黒物質として、集合的な大打撃を与える可能性があります。

何十年もの間、物理学者はアクシオンの主なライバルを探してきました。それは、WIMP (「弱く相互作用する巨大粒子」の意) として知られる、動作が鈍くはるかに重い暗黒物質の候補です。しかし、アクシオンの探索はまだ始まったばかりである一方で、WIMP の実験は手ぶらで行われています。

ミシガン大学の物理学者で、暗黒物質を専門とするベン・サフディ氏は、「暗黒物質は依然として WIMP である可能性がありますが、その可能性は日々少しずつ減っているように見えます」と述べています。アクシオンは「現時点で最良の暗黒物質の候補のようなものです」と彼は言いました.

昨年、ワシントン大学の Axion Dark Matter Experiment (ADMX) は、最も可能性の高い種類のアクシオンを検出するのに十分な感度を持つ最初の実験となり、実験チームは最近、最新の検索結果を発表しました。彼らはアクシオンを捕まえませんでした。しかし、Physical Review Letters に掲載するために現在審査中の論文で報告されているように、 、彼らは最初の実行で調査した質量範囲よりも4倍広い可能性のあるアクシオン質量の帯を除外することができました. ADMX は、アクシオンが隠れている可能性が最も高い場所を一掃し続けています。 「彼らは主導権を握っています」とサフディは言いました。

アクシオンは、一度に 2 つの謎を解決できるため、信者を引き付けます。その目に見えない存在は、宇宙が見た目よりもはるかに重い理由を説明するでしょう.また、粒子は、原子核を形成する 2 つの基本的な力が異なるルールブックに従う理由も示します。これが、物理学者が 1970 年代に最初にアクシオンを考案した理由です。

問題は、強力な核力がクォークとして知られる中性子の内部に粒子を配置するため、それらの全体的な電荷が偏って成長しないように見えることです。この特性は、電荷パリティ (CP) 対称性と呼ばれる中性子の部分での特異な平等性を示しています。各クォークの電荷を反転させ、それらすべてを鏡に映しても、中性子の挙動には影響しません。偏った電荷を持つ中性子は、CP 対称性に失敗します。これを反射すると、電場が固有の角運動量に対して反転するためです。これは、鏡を見て、脚にセーター、胴体にジーンズをはいている自分を見るのと同様の効果です。実際の中性子は、鏡に映すと同じように見えます。実験により、中性子は少なくとも 10 億分の 1 まで電気的に均一であることがわかっています。

この対称性は、弱い核力がそれを共有していないことを物理学者が 1964 年に発見していなければ、まったく問題ありません。どちらの場合にもクォークが関与しているため、専門家は弱い力の対称性の破れが強い力にも及ぶと予想していたでしょう。突然、中性子の非の打ちどころのない電荷分布がパズルになりました — 「強力な CP 問題」です。

アクシオンは主要なソリューションを表していますが、その基礎を築いた理論家はすぐには全体像を把握できませんでした。 1977 年にロベルト・ペッチェイと共に強力な力のバランスを回復する方法を提案したヘレン・クインは、「私は実際に方程式を書き留めましたが、それを機能させるためにそれをごまかすだけでした。」

強力な CP の問題は、強力な力を表す方程式の 1 つの定数 (θ またはシータとラベル付けされた角度) の予想外の値に要約されます。その値はゼロのように見えるため、中性子の電荷は一定に保たれます。しかし、θ が取り得る他の多くの値については、クォークは迷走します。いくらかごまかした後、Quinn と Peccei は θ を定数から空間に浸透するフィールドに昇格させ、その値はどこでも自然にゼロに落ち着くことができました。クインは自分のモデルを傾斜した山高帽になぞらえています。ボールは縁の周りでどの角度からでも始めることができますが、常に底に向かって転がります。他の 2 人の理論家、Steven Weinberg と Frank Wilczek はすぐに、Peccei-Quinn フィールドには粒子 (フィールド内の励起) が必要であることを発見し、アクシオンが誕生しました。

その後、1980 年代に、銀河の回転速度の観測やその他の証拠により、宇宙の物質の膨大な量が目に見えず、主にその重力を通じて他のすべてのものと相互作用していることがますます示唆されました。暗黒物質の証拠が増えているため、現在フロリダ大学の理論物理学者であるピエール・シキビーは、アクシオンがどれほど見えないかを計算するようになりました.

Sikivie はインタビューで、アクシオンは光子の精神的な従兄弟のようなものになるだろうと説明しましたが、質量のヒントだけが含まれています。光子 - 光と電磁気の粒子 - はマクスウェルの方程式によって支配されるため、シキビーは古典理論を微調整してアクシオンを組み込み、アクシオンが不足している暗黒物質を足し合わせるのに十分なほど宇宙を詰め込む可能性があることを発見しました.

彼はまた、アクシオンが完全に検出されないわけではないと計算しました。ときどき、それらは 2 つの光子に変換されます。彼は、光子がレーザーで他の光子の放出を緩和するのと同じように、強い磁場 (したがって、多くの光子) で領域を飽和させると、アクシオンの崩壊が促進されることに気付きました。また、光子と同様に、アクシオンは非常に波に似ており、波と粒子の二重性の波状の端に落ちます。その極小の質量により、非常に低エネルギーの波になり、長さは建物とサッカー場の間の波長になります。



Sikivie は、これらの低エネルギー アクシオンを光子に変える鍵は、アクシオンと正確に同じ波長で共鳴するように調整できるデバイスであることに気付きました。彼は信号を増幅するハロスコープと呼ばれる機械を思い描いた.

Sikivie の概念の実装には 30 年以上かかりましたが、ADMX は現在、粒子が理論上の最も低い速度で崩壊したとしても、理論家が最も妥当と見なす質量を持つアクシオンを検出するのに十分な感度を備えています。ほぼ絶対零度まで冷やしたアイスボックスに強力な磁石を置いた状態で、ADMX はゆっくりとその共振を調整し、アクシオンをスキャンします。磁石がどのくらいの頻度でアクシオンを 2 つの光子に変えるかは不明ですが、1 秒あたり何千兆ものアクシオンが実験を通過する可能性があるため、検出はすぐに明らかになります。

昨年報告された最初の実行では、実験は 0.65 ギガヘルツからほぼ 0.68 ギガヘルツまでスキャンし、アクシオンによって生成された光子からの過剰な電力を探しました。今年、このコラボレーションは 0.8 ギガヘルツまで続いています。これらの周波数は、電子の 1,870 億倍から 1,510 億倍の重さのアクシオンが実験で除外されたことを意味します。コラボレーションのメンバーである Gianpaolo Carosi は次のように述べています。

このグループは、今後数年間で少なくとも 2 ギガヘルツに達すると予想しており、最終的には電子よりも 120 億倍軽いアクシオンに相当する 10 ギガヘルツまで押し上げたいと考えています。見積もりはさまざまですが、ほとんどの理論家は、暗黒物質と中性子固定剤の両方の役目を果たすアクシオンはその範囲内のどこかにあるはずだと言っています.

静的なものしか聞こえない場合、ADMX はアクシオンの存在を完全に反証しません。数ギガヘルツの周波数は、最も単純な暗黒物質のスキームと一致しますが、一部の理論家はより複雑なレシピを作成しています.また、暗黒物質がアクシオンと他の何かの混合物である場合、アクシオンは 10 桁を超える質量範囲に及ぶ可能性があります。

しかし、他の有望な暗黒物質の候補が実現しないため、より多くの実験グループがアクシオンに目を向けています。 ADMX のような地上磁気装置を開発している研究者もいれば、自然界で最も強力な磁石である中性子星からの電波をスキャンしようと計画している研究者もいます。これらのチームが一緒になって、いつの日か可能な周波数のほとんどをカバーするかもしれません.

発見は素粒子物理学と宇宙論の法則を恒久的に書き換えるだろうが、今日アクシオンは完全に仮説にとどまっている.クインは、彼女の思索がこれほど手ごわい捜索隊を立ち上げたことをただ謙虚に感じています。 「ロベルトと私は数か月かけてこの理論を練り上げました」と彼女は言いました。

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