暗黒物質は、ほとんどの天文学者にとって星や惑星と同じくらい目に見えるものです。私たちは定期的にそれをマッピングします。私たちは銀河を、光る物質が少しずつ集まった暗黒物質の塊だと考えています。暗黒物質の観点から、宇宙構造の形成と宇宙全体の進化を理解しています。しかし、10 年間にわたる高度な検索では、素材を直接検出することはできませんでした。私たちはそれが投げかけた影を見ていますが、宇宙の暗黒面が何を含んでいるかについてはまったく気づいていません.
それは確かに、通常の物体や粒子ではありません。それは長い間除外されてきました。理論的な偏見は、通常の物質とは弱くしか相互作用しない新しいタイプの粒子を支持します。膨大な数のこれらの粒子が常に地球を流れているはずであり、当然のことながら、それらのいくつかは痕跡を残すと予想されます.物理学者は、結晶を成長させて極低温タンクを満たし、地下深くまでそれらを運搬してありふれた粒子を選別し、これまでに見たことのない何かの通過を裏切るような熱の小さなパルスと光の閃光を監視しました。これまでの結果は心強いものではありません。サウスダコタ州リードでは、LUX の実験が放棄された金鉱の地下 1 マイルで行われています。何も見つかりませんでした。中国では、Jin-Ping 地下研究所の PandaX 実験が 2.4 キロメートルの岩の下のトンネルで行われています。何も見つかりませんでした。フランス アルプスのフレジュス近くの道路トンネルでは、深さ 1.7 km の EDELWEISS 実験で何も見つかりませんでした。そしてリストは続きます。
ヌルの結果は、暗黒物質が潜んでいる可能性のあるパラメーター空間の領域を急速に圧迫しています。データの干ばつに直面して、理論物理学者はよりエキゾチックな粒子について推測しましたが、これらの候補の大部分は検出がさらに困難です。代わりに、粒子加速器で暗黒物質粒子を生成することを期待できます。これにより、粒子の衝突でエネルギーが失われるように見えるかどうかを確認することで、デフォルトでそれらの存在を推測できます。しかし、Large Hadron Collider はまさにこれを試みましたが、これまでのところ何も気づきませんでした。一部の理論家は、暗黒物質は存在せず、私たちの重力理論 (アインシュタインの一般相対性理論) が私たちを迷わせていると疑っています。一般相対性理論は、目に見えない物質によって一緒にされていなければ、銀河は離れて飛ぶだろうと教えてくれますが、おそらくその理論は間違っています.しかし、一般相対性理論は他のすべての観測テストに合格しており、競合するすべての理論には致命的な欠陥があるように見えます.
全物質の 85% は不明です。私たちの最大の恐怖は、それがずっと続くことです.
ほとんどの実験は不十分なものでしたが、2 つが暗黒物質を発見したと主張しています。どちらの主張も、さまざまな理由で非常に物議を醸しています。これらの異常値は間違っている可能性がありますが、詳しく調べる価値があります。少なくとも、これらのケースは、宇宙の他のすべての残骸の中で暗黒物質を見つけることの難しさを示しています.
グラン サッソ研究所の DAMA/LIBRA 粒子検出器は、イタリア北部の山の下 1.4 キロメートルのトンネルに設置されており、ヨウ化ナトリウムの結晶中の原子核から散乱する暗黒物質粒子によって引き起こされる閃光を探します。 13年以上にわたってデータを収集しており、非常に奇妙なものを見てきました。粒子検出率は季節とともに増減し、6 月に最大になり、12 月に最小になります。
それはまさにあなたが暗黒物質に期待することです.暗黒物質は、天の川銀河を覆う広大な雲を形成していると考えられています。ユニットとしての私たちの太陽系は、この雲の中を移動しています。しかし、個々の惑星は、太陽の周りを公転するため、雲の中をさまざまな速度で移動します。推定上の雲に対する地球の速度は、6 月にピークに達し、12 月に底を打ちます。これにより、暗黒物質粒子が地球の検出器を通過する速度が決まります。
DAMA が非常に高い統計的有意性を持つこのような季節的変調を検出することは否定できません。しかし、地下水の流れ（放射能のバックグラウンドレベルに影響を与える）や大気中のミューオンなどの他の粒子の生成など、粒子の他の多くの発生源も季節によって異なります。最後に、世界中の他の 5 つの実験では、DAMA の主張と矛盾する制限が主張されています。しかし、確実にする唯一の方法は、1 つまたは複数の異なる場所で同じタイプの検出器を使用して実験を再現することであり、そのような実験が現在いくつか進行中です。 1 つは南極にあり、そこでは局所的な季節効果が位相がずれており、イタリアのものとは大きく異なります。
暗黒物質の 2 つ目の興味深いヒントは、間接的な実験から得られます。この実験では、とらえどころのない粒子自体を探すのではなく、それらが互いに衝突して相互に消滅するときに生成される二次粒子を探します。 2008 年に PAMELA (反物質/物質探査および軽原子核天体物理学のペイロード) と呼ばれるイタリアとロシアの衛星が、深宇宙から発せられる電子の反物質バージョンである、予想外に多数の陽電子を観測しました。この観測は、国際宇宙ステーションに搭載されたアルファ磁気分光計によって最近確認されました。一方、フェルミ衛星は、銀河の中心から約 20 度まで広がるガンマ線の拡散した輝きを報告しています。それはちょうど暗黒物質から予想される形状を持っています:銀河の中心に関して球対称で、中心に向かって強度が上がります.
本当であるには良すぎるように思えます。残念なことに、陽電子とガンマ線の両方の観測結果は、ミリ秒パルサーとして知られる急速に回転する中性子星によって説明されるかもしれません。陽電子は、実行可能な暗黒物質候補の特徴と一致しません。この問題を解決するには、陽電子が既知の中性子星の方向から来る傾向があるかどうかを確認する必要があります。ガンマ線の変動は、すでに銀河中心近くの多くの弱くて未解決のパルサー源の選択肢を支持する傾向があります.また、ガンマ線が暗黒物質から来ている場合、天文学者は近くの小さな矮小銀河から同様の信号を検出する必要があります。これらの銀河には、私たち自身の銀河よりも暗黒物質が比例して多く含まれています。そのようなシグナルは検出されていません。
私たちの探索努力のほとんどは、WIMP として知られる最も単純な候補粒子、つまり弱く相互作用する大質量粒子に焦点を当ててきました。 「弱い」という言葉はダブル・ミーンドルです。相互作用は弱く、いわゆる弱い核力を介して発生します。このような粒子は、素粒子物理学の標準モデルの自然な拡張です。詳細を知らなくても、副詞「弱い」は、そのような粒子が宇宙をどれだけ満たす必要があるかを計算するのに十分な情報です.ビッグバンの熱い原始スープでは、粒子が自然に生成され、破壊されます。宇宙が膨張するにつれて、温度が下がり、質量に応じて、さまざまな種類の粒子が 1 つずつ形成されなくなります。粒子は、相互に衝突できなくなるまで拡散しすぎるまで、相互作用の強さに応じた速度で破壊することができます。
WIMP が持つべき相互作用の強さを考えると、数値を実行すると、初期宇宙の大釜が観測された量の暗黒物質を作成したはずであることがわかります。結果として得られる粒子は、数百の陽子質量で重さを量る必要があります。要約すると、「WIMP の奇跡」と呼ばれる、暗黒物質粒子の自然なスイート スポットがあります。
しかし、これは醜い事実によって殺された美しい仮説のケースかもしれません.物理学者はますます自暴自棄になり、遠く離れた次善の可能性を考慮していた選択肢を模索しています。
おそらく暗黒物質粒子は非常に重い。ただし、基本的なトレードオフがあります。粒子の質量が大きければ大きいほど、天文学者が観測する総質量を説明するために必要な粒子の数は少なくなり、検出器がそれらを見逃すほど数が少ない可能性があります。物理学者は、おそらくこれらの粒子が古い中性子星や他の天体に及ぼす影響を含め、まったく別の検索戦略を見つける必要があります.
逆に言えば、ダークマター粒子は軽すぎて、検出器に痕跡を残すことができないかもしれません。それを探すために、物理学者は、自然がすでに私たちに提供している検出器である太陽を利用するかもしれません。太陽が銀河の暗黒物質の雲の中を移動する際に、粒子を一掃する可能性があります。これらの粒子は、太陽の陽子を散乱させ、その温度プロファイルを変更する可能性があります.それは、太陽の上層で上昇、下降、渦巻くガス渦の乱流運動に影響を与えるでしょう。そして、私たちが地震学によって地球の地震を研究するのと同じように、太陽の内部で伝播する擾乱とその表面への影響を研究する日震学の科学を通して、それを見ることができるはずです。太陽の標準モデルとの調整が困難な、説明のつかない日震学上の異常があることが判明しました。
ダークマター粒子が太陽に集まると、コアでも消滅する可能性があります。それは、中部日本のスーパーカミオカンデや南極のアイスキューブ天文台などの検出器が見ることができるエネルギーニュートリノを生成します。これまでのところ、候補イベントは報告されていません.
超軽量粒子の最も極端な例は、陽子の 1 兆分の 1 以下の質量を持ち、弱く相互作用する仮説上の粒子であるアクシオンです。完全に暗くなるわけではありませんが、電磁的に相互作用し、強い磁場の空洞内でマイクロ波光子を生成する可能性があります。アクシオンの検出を目的とした実験は 1980 年代から行われており、WIMP 検出器と同じくらい成功していません。
おそらく、暗い粒子は粒子ではなく、ある理論家が吹き替えた「非粒子」です。非粒子は電磁界の遠い親戚であり、そのエネルギーは個別のパッケージには含まれていません。コライダーデータに間接的な痕跡を残す可能性があります。おそらく、暗黒物質の正体には単一の解決策はありません。結局のところ、通常の物質も多くの種類の粒子で構成されています。暗黒物質も同様にいくつかの寄与因子を持つ可能性があり、特定の粒子候補の推定上の特徴を薄めることによって検索をより困難にします。おそらく暗黒物質は、重力を除いて、まったく相互作用しません。これにより、実験家の生活はさらに悪夢に満ちたものになるでしょう。
ある意味で、私たちはすべての科学者が夢見る状況にいます。古いアイデアは機能しません。新しいものが必要です。これらは、新しいタイプの粒子を探索することから得られるかもしれませんし、暗黒物質を完全に排除する、完全に一貫した新しい重力理論を発見するかもしれません.
しつこい心配は、自然が新しい物理学を私たちが見つけられない場所に置いてしまったということです。 WIMP の検索を完全に使い果たしたわけではありませんが、実験でできることは他にもたくさんあります。彼らは暗黒物質に敏感になるにつれて、ゴミ粒子にも敏感になり、常に2つを区別できるわけではありません.現在の改善率では、10 年以内に、太陽または地球の大気に衝突する宇宙線によって放出されるニュートリノによって目がくらんでしまうでしょう。
その時点で、まだ間接的な検出手段を追求することができました。最も有望なものの 1 つは、チェレンコフ望遠鏡アレイです。これは、チリとラ パルマ島にある 100 台以上の望遠鏡の集まりであり、他の目標の中でも特に、銀河などの暗黒物質粒子の消滅によって生成されるガンマ線を探します。しかし、最終的に、この検索戦略は別の問題に直面します:コストです。現時点では、暗黒物質検出器は主要な物理実験の中で最も経済的なものの 1 つですが、サイズ、感度、および洗練度を高め続ける必要がある場合、その価格は大型ハドロン衝突型加速器 (構築に約 70 億ドル) などの巨獣に匹敵する可能性があります。 ) とジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (約 80 億ドル) は、成功の保証がなく、政治家にとって非常に売り込みがたいものです。
暗黒物質粒子を発見するための最強のツールは、新しい粒子コライダーです。今から約 30 年後、物理学者は LHC の 7 倍のパワーを持つコライダーを構築することを計画しています。中国とヨーロッパの両方で研究が進行中です。 LHC から大雑把にスケールアップすると、現在のドルで 250 億ドルの費用がかかります。国家間で共有され、何十年にもわたって広がっていれば、それは実現可能かもしれません。でも多分もう限界です。たとえ物理学者が無限のリソースを持っていたとしても、より大きなものを構築しても何も得られません.その時点で、未知の粒子は非常に大きくなければならないので、その粒子がより軽い対応物と同じ方法で生成された場合、ビッグバンは十分な量でそれを生成しなかったでしょう.
これらの多大な努力にもかかわらず、信号が見つからない場合があります。それは暗い見通しだろう。暗黒物質はないのかもしれません。私たちは一般相対性理論からの逸脱を探し続けています。これまでのところ、何も見つかりませんでした。それどころか、重力波による 2016 年のブラック ホールの検出は、アインシュタインの理論と、その帰結である暗黒物質の存在を強化しました。
しかし、明るい面を見てください。自然の暗黒面については、私たちが探さなければ決して垣間見ることのできない、計り知れない謎や啓示があるかもしれません。今のところ、粒子を探し続けます。進むしかありません。
ジョセフ・シルクは、オックスフォード大学の宇宙論者であり、パリ天体物理学研究所とジョンズ・ホプキンス大学にも任命されています。彼は、宇宙マイクロ波背景放射と宇宙構造の形成に関する研究のパイオニアです。
この記事は最初に公開されました Nautilus Cosmos 2017 年 2 月。
