オーストラリアの科学者たちは、宇宙最大の謎のひとつである目に見えない「暗黒物質」の正体解明に向けて、前進を続けています。
オーストラリア初の大規模な暗黒物質検出器であるORGAN実験では、最近、暗黒物質を説明しようとする理論の中で人気のある候補であるアクシオンと呼ばれる仮説的粒子の探索を完了しました。
ORGAN実験によって、アクシオンの可能な性質に新たな制限が設けられ、その結果、アクシオンの探索を絞り込むことができました。しかし、私たちが先走る前に …
まずは物語から始めましょう
約140億年前、すべての小さな物質、つまり後にあなたや惑星、銀河系になる基本的な粒子が、非常に高密度で熱い領域に圧縮されていました。
そこにビッグバンが起こり、すべてがばらばらになったのです。素粒子は結合して原子になり、やがて塊になって星になり、それが爆発してあらゆる種類のエキゾチックな物質が生まれました。
数十億年後、地球が誕生し、やがて人間という小さな生き物がうようよするようになりました。クールな話ですよね？しかし、それががすべてではなく、半分もないことがわかりました。
人間も、惑星も、星も、銀河も、すべて「通常の物質」でできています。しかし、通常の物質は宇宙にある全物質のわずか6分の1しかないことが分かっています。
残りは「暗黒物質」と呼ばれるものでできています。暗黒物質とは、私たちが知っていることのほとんどすべてを物語っています。暗黒物質は、光を発せず（だから「暗黒」と呼びます）、質量がある（だから「物質」と呼びます）。
目に見えないのに、どうしてそこにあることがわかるのか
空間の動きを観察していると、目に見えるものだけでは説明がつかないことが何度もあります。
例えば、銀河の回転はその典型的な例です。ほとんどの銀河は、目に見える物質からの重力だけでは説明できない速度で回転しています。
したがって、銀河の中には暗黒物質が存在する必要が出てくるのです。暗黒物質があると重力が増すため、銀河の一部が宇宙空間に飛び出すことなく、高速で回転することが可能になります。私たちは、暗黒物質が文字通り銀河を一つにまとめていると考えています。
ということは、宇宙には膨大な量の暗黒物質が存在し、私たちの目に見えるものすべてを引っ張っているに違いありません。その暗黒物質が、ある種の宇宙的な幽霊のように、あなたの中を通過しているのです。ただ、それを感じることができないだけなのです。
どうやって検出するか
多くの科学者は、暗黒物質がアクシオンと呼ばれる仮想的な粒子で構成されている可能性があると考えています。アクシオンはもともと、「強いCP問題」と呼ばれる素粒子物理学の別の大きな問題の解決策の一部として提案されました（これについては、1つの記事を書けるほどです）。
いずれにせよ、アクシオンが提案された後、科学者たちはこの粒子が特定の条件下で暗黒物質を構成する可能性にも気づきました。アクシオンは通常の物質との相互作用は非常に弱いのですが、ある程度の質量は持っていると予想されるからです。これは暗黒物質に必要な2つの条件です。
では、どのようにしてアクシオンを探せばいいのでしょうか？
暗黒物質は私たちの身の回りにあると考えられていますので、地球上に検出器を作ることができます。また、幸運なことに、アクシオンを予言する理論では、アクシオンが適切な条件で光子（光の粒子）に変換されることも予言されています。
私たちは光子を検出するのが得意ですから、これは良いニュースです。そして、これこそが「ORGAN」が行っていることなのです。アクシオンが光子に変換される条件を整え、検出器を通過する暗黒物質が発する微弱な光信号（フォトン）を探します。
このような実験は「アキシオン・ハロスコープ」と呼ばれ、1980年代に初めて提案されました。現在、世界には数台が存在し、それぞれ重要な点でわずかに異なっています。
暗黒物質に光を当てる
アクシオンは、強い磁場があると光子に変換されると考えられています。一般的なハロスコープでは、この磁場を「超伝導ソレノイド」という大きな電磁石で発生させています。
この磁場の中に、金属でできた中空の部屋を1つ、あるいは複数設置し、光子を閉じ込めて内部で跳ねさせ、検出しやすくしているのです。
しかし、一つ問題があります。温度があるものはすべて、常に小さな光を不規則に放出しています（赤外線カメラが機能するのはこのためです）。このランダムな発光、つまり「ノイズ」が、私たちが探している微弱な暗黒物質のシグナルを検出することを難しくしているのです。
そこで、私たちは共振器を「希釈冷凍機」の中に置きました。この冷蔵庫は、実験を極低温（約-273℃）まで冷却し、ノイズを大幅に減らすことができます。
実験が低温であればあるほど、暗黒物質の変換時に発生する微弱な光子を「聴く」ことができるのです。
質量領域をターゲットとする
ある質量のアクシオンは、ある周波数、つまり色の光子に変換されます。しかし、アクシオンの質量が不明であるため、実験では、暗黒物質が存在する可能性が高いと考えられている領域を中心に、さまざまな領域を探索する必要があります。
もし暗黒物質の信号が見つからなければ、実験の感度が悪くてノイズを超える信号が聞こえないか、対応するアクシオンの質量の領域に暗黒物質が存在しないかのどちらかです。
このような場合、私たちは「排除限界」を設定します。これは、「この質量範囲、この感度では、暗黒物質は見つかりませんでした」ということです。これにより、他の暗黒物質研究コミュニティに、他の場所を探索するように指示することが出来る様になります。
ORGANは、その対象となる周波数帯で最も感度の高い実験です。その最近の実験では、暗黒物質の信号は検出されませんでした。この結果、アクシオンの特徴に重要な排除限界を設定しています。
これは、アクシオンを探索する複数年計画の第一段階です。私たちは現在、より感度が高く、まだ解明されていない新しい質量範囲を対象とする次の実験の準備を進めています。
なぜ暗黒物質が重要なのか？
まず、基礎物理学に投資すると、重要な技術が開発されることが歴史的に分かっています。例えば、現代のコンピューターはすべて、量子力学の理解に依存しています。
電気や電波も、当時は理解の及ばない不思議な物理現象だと思われていたものを追求しなければ、発見されることはなかったでしょう。暗黒物質も同じです。
人類が宇宙の6分の1の物質を理解することで成し遂げたことを考えると、残りの物質を解き放てば何ができるかを想像してみてください。
Dr. Ben McAllister
Research Fellow, Department of Physics, The University of Western Australia
科学者、科学コミュニケーターとして、パースとメルボルンを拠点に活動。西オーストラリア大学、スウィンバーン大学で教鞭をとる。
ベンの科学的研究は、暗黒物質素粒子物理学、量子テクノロジー、材料科学に及んでいます。研究室で研究をしていないときも、たいてい他の場所で研究について話しています。科学以外では、料理と音楽が好きで、ノース・メルボルン・フットボール・クラブのファンです。
Twitter : @drbtmcallister
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