暗黒物質のダークホースである謎の粒子に出会う

今週発表された2つの科学論文によると、波のように作用する小さな粒子が暗黒物質の説明として有力視されつつある。

アクシオンと呼ばれる理論上の粒子は、科学者にとって暗黒物質を説明する最善の選択肢となる可能性がある。暗黒物質とは、宇宙の全物質の85％を占める謎の物質で、私たちの「通常の」物質とはほとんど相互作用しない。2つの新しいレビューは、この粒子が次点から近年注目を浴びるようになった経緯を示している。ダークマターをめぐる理論は進化し、これらの粒子の説得力を高めているとレポートは述べている。また、科学者がアクシオンを検出できる可能性についても調査している。両方のレポートは今週、 Science Advancesに掲載された。

アクシオンが暗黒物質であるなら、「今この瞬間にもアクシオンがあなたの中を通り抜けている」が、ほとんど相互作用しないので気づかない、と英国ダラム大学の物理学者で理論レビューの著者であるフランチェスカ・チャダ・デイ氏は言う。彼女はまた、アクシオン検出器共同研究団体TOORADにも取り組んでいる。

10年前にアクシオンの研究を始めたとき、アクシオンは暗黒物質の候補としてはマイナーだったと彼女は言う。それ以来、アクシオンはより注目されるようになったが、それは主に、何十年もの間暗黒物質の有力な説明とされてきた、いわゆる「弱く相互作用する巨大粒子（WIMPS）」を「大型ハドロン衝突型加速器やあらゆる暗黒物質検出器が発見できなかった」ためだと彼女は言う。

どちらも見つけにくい理論上の素粒子です。では、アクシオンと WIMPS の違いは何でしょうか?

WIMPS はもう少し実質的で、重原子の中心のような大きな重い中性粒子だと、ワシントン大学の Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) の物理学者で広報担当者のグレイ・リブカ氏は言う。同氏はどちらのレビューにも関わっていない。

対照的に、アクシオンは質量が小さく、ニュートリノと呼ばれる最も軽い既知の粒子よりもさらに軽い。非常に軽いため、奇妙な振る舞いをする。

「アクシオンの興味深い点は、アクシオン暗黒物質が、個々の粒子が動き回るというよりも、宇宙全体を覆う一種の場のように振る舞うことです」とチャダ・デイ氏は言う。

すべての物体には、波動粒子二重性と呼ばれる性質があります。つまり、物体はある程度は波のように、ある程度は粒子のように振舞います。たとえば、電子のように小さなものは、粒子のように振舞うことができます。つまり、空間を飛び出し、ビリヤードのボールのように他の粒子と衝突します。しかし、電子は波のように振舞うこともできます。つまり、他の波と結合し、一度に特定の場所には存在しないのです。しかし、物体が重いほど、この効果は顕著ではなく、粒子のように振舞います。この波動性の一部として、アクシオンは光と弱く相互作用し、磁場に囲まれている必要があります。アクシオンが存在する場合、アクシオンは光の粒子である光子に変換され、光子は再びアクシオンに変換されます。

この理論レビューは「考え方がどこに向かっているかをよくまとめたものだ」とリブカ氏は言う。WIMPSとアクシオンは数十年前、暗黒物質の説明としてほぼ同時期に提唱されたとリブカ氏は言う。これらが暗黒物質の唯一の候補ではないが、最も有力な候補だ。

「当時、コミュニティは主に WIMPS を支持していました」とリブカ氏は言う。なぜなら、既存の技術で WIMPS を探すのが簡単だったからだ。30 年間 WIMPS を探し続けて何も見つからなかったため、「このアイデアに飽き飽きしている人たちがいる」。

弦理論は、宇宙における物質と反物質のバランスをとるというパズルの解決策として、アクシオンが存在するはずだと予測しています。

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アクシオンへの関心が高まっている理由の1つは、研究者がアクシオンを探す技術を手に入れたことだ。「[アクシオン]を探す実験をどう構築するかというアイデアがあふれている」とリブカ氏は言う。ここ数年、科学者たちは粒子を検出するための実験を考案することから、「発見の可能性が高いと思われる場所を探す」ことに移行した。

これまでのADMXのような実験では、特定の質量のアクシオンと共鳴するように、特定の大きさの強力な磁場を持つチャンバーを構築することでアクシオンを検出しようとしてきた。これは、バイオリンとチェロという2つの異なる大きさの楽器が、高低の異なる周囲の音を拾ってハミングするのと似ている。チャダデイ氏によると、この共鳴により、より多くのアクシオンがキャビティ内で光子に変わり、非常に感度の高い検出器がそれらを検出できるという。

ADMX は、狭い範囲の質量のアクシオンにしか反応しません。しかし、実験者たちは、より広範囲のアクシオン質量を検出できる検出器を作る巧妙な方法を思いついたと Chadha-Day 氏は言います。これは重要なことです。なぜなら、「宇宙が私たちに優しく」、アクシオンを探索しやすい質量にする理由はないからです、と彼女は言います。

天文学者は、磁場が存在する2つの重要な場所、銀河団と中性子星を観測することで、宇宙からアクシオンを観測できる可能性もあります。アクシオンは、銀河の中心にあるブラックホールに落ち込む物質から発せられる光のスペクトルを変化させます。また、アクシオンは中性子星に無線周波数で予想以上に多くの光を放射させる原因にもなります。

現在進行中の実験や今後予定されている実験で、科学者が予想する場所にアクシオンが見つからなければ、理論家たちは計画をやり直さなければならない。しかし、アクシオンが検出されれば、ついに「暗黒物質が何であるかが分かる」とリブカ氏は言う。

訂正、2022年2月28日：この記事の以前のバージョンでは、Chadha-Dayがアクシオン理論のレビューを主導したと記載されていました。彼女は第一著者ですが、リーダーではありません。