ワシントン D.C.— 物理学者のチームは、GPS 衛星からのデータを使用して暗黒物質を探し出しました。暗黒物質は、重力が銀河をまとめているように見える謎の物質です。彼らは、トポロジカル欠陥と呼ばれる空間構造の欠陥で構成される仮説上のタイプの暗黒物質の兆候を発見しなかった、と研究者は土曜日にアメリカ物理学会の会議で報告した.しかし、物理学者は、欠陥が存在する場合、通常の物質とどのように相互作用するかについて、特性を大幅に絞り込んだと述べています。彼らの調査結果は、暗黒物質が何であるかについての新しいアイデアをテストするために、驚くほど革新的で、この場合は安価な方法が使用される可能性があることを示しています.
「とても興味深く、爽快で刺激的で、費用は基本的にゼロです」と、ドイツのマインツにあるヨハネス グーテンベルク大学の実験物理学者であるドミトリー ブドカーは言います。 「基本的には、学生がデータを分析するコストです。」
天体物理学者は、暗黒物質が宇宙の全物質の 85% を占めていると考えています。しかし、これまでのところ、暗黒物質の存在はその引力からのみ推測されてきました。何十年もの間、多くの物理学者が暗黒物質の粒子の有望な候補、いわゆる弱相互作用大質量粒子、または WIMP を直接検出しようとしてきました。しかし、これまで以上に感度の高い検出器が、私たちの銀河を浮遊し、地球を通過する粒子を見つけることができなかったため、熱意は薄れつつあります.非常に多くの物理学者が暗黒物質とは何かについてより広く考えています.
たとえば、暗黒物質は新しい亜原子粒子ではなく、はるかに大きくて奇妙なものである可能性があります。トポロジカル欠陥と呼ばれる空間の真空中の巨視的な欠陥です。トポロジカルな欠陥は、ニッケルなどの磁性材料に例えると最もよく説明されます。ニッケル原子自体が小さな磁石のように機能し、特定の温度以下では、隣接する原子が同じ方向を向く傾向があるため、それらの磁場が互いに強化されます。しかし、この整然とした配列は、たとえば、異なる領域の原子が異なる方向を指している場合、欠陥を被る可能性があります。これが起こると、領域は「ドメイン ウォール」と呼ばれるゴツゴツした表面に沿って交わります。これは、トポロジカルな欠陥の一種です。点状や線状の欠陥もある可能性があります。
同様のことが宇宙自体で起こるかもしれません。いくつかの理論は、空の空間が量子場で満たされていると予測しています。その場がそれ自体と相互作用する場合、初期宇宙が膨張して冷却されるにつれて、場は値または「位相」を帯びた可能性があり、それはニッケル原子が指す方向に少し似ている.異なるフェーズを持つ空間領域は、ドメイン ウォールで出会うことになります。これらの領域壁はエネルギーを持ち、アインシュタインの有名な等価性 E=mc により、質量を持ちます。したがって、それらは重力を生成し、暗黒物質である可能性があります.
現在、リノにあるネバダ大学の 2 人の物理学者であるベンジャミン ロバーツとアンドレイ デレビアンコと彼らの同僚は、軌道を周回する 31 個の GPS 衛星群からのアーカイブ データを使用して、トポロジカル ダークマターをこれまでで最も厳密に検索したと述べています。各衛星は原子時計を搭載し、タイミング信号を放送しています。地球上の受信機は、複数の衛星からのタイミング情報を使用して、各衛星からの距離を特定し、その位置を特定します。
これらのデータを使用して暗黒物質を検索するために、研究者は別の推測物理学を呼び出す必要がありました。理論によると、トポロジー上の欠陥の中で、自然の定数が変化することが示唆されています。特に、トポロジカル欠陥の通過は、いわゆる微細構造定数をいじる必要があります。これは、電磁力の強さと、原子が吸収または放出する放射の正確な周波数を決定します。これは、電子が量子化されたものからジャンプするときに発生します。別のエネルギーレベル。しかし、原子時計はまさにそのような周波数を測定することによって機能します。そのため、GPS 衛星がトポロジー上の欠陥を通過した場合、その欠陥により衛星の原子時計が 1 つスキップするはずです。
1 つの原子時計が 1 回ジャンプしただけでは、トポロジー上の欠陥を十分に証明することはできません。そこで研究者たちは、銀河が暗黒物質の雲の中で回転するときに地球が大きな磁壁を通過した場合に、幅 50,000 キロメートルの GPS ネットワーク全体を掃引する時間シフトの波である、より強力な信号を探しました。 16 年間の GPS データを組み合わせた結果、0.5 ナノ秒を超えるシフトの証拠は見つからなかった、と Roberts 氏は会議で語った。彼らは、そのようなトポロジー欠陥の数と、物質との相互作用の強さに制限を設けました。これは、超新星爆発に関するこれまでの研究で設定された制限よりも最大 6 桁厳しい制限です。研究者たちは、時計のノイズによって設定された限界にまだ達していない、と Roberts は報告している、「そのため、改善の余地はたくさんあります。」
ニューヨーク市にあるニューヨーク大学の理論家である Glennys Farrar は、次のように述べています。 「どのように信号を抽出するかというアイデアは、考えるのが楽しいものでした。」それでも、ロバーツ、デレビアンコ、および同僚がテストしている暗黒物質の特定のモデルは、「かなり狭い」ように思われる.たとえば、ドメインの壁は地球の幅よりもそれほど厚くないと、彼らは恣意的に仮定しなければならない.バドカーはその点に同意します。しかし、彼はまた、この研究は物理学者がさまざまな種類の暗黒物質を探すために孵化させている多くの新しいアイデアの一例にすぎないとも述べています.
