反物質が宇宙を長距離移動できることが判明、暗黒物質の発見に繋がる可能性が示される

masapoco
投稿日
2022年12月13日 12:04
alice cern

科学者たちは、私たちが日常的に経験している通常の物質の奇妙なバージョンである反物質の成分が、天の川を横切って何千光年も移動できることを発見したと報告した。この発見は、宇宙の最大の未解決問題の一つである暗黒物質の正体を明らかにする可能性があるという。

星や惑星は、私たちが日常的に接しているのと同じ身近な物質でできているが、宇宙にははるかにエキゾチックな物質が存在している。反物質は、通常の物質と逆の電荷を持つ粒子でできている物質で、私たちが接する「通常の」物質よりもはるかに少ないが、実験室で生成して研究することができる。この反物質は、通常の物質と出会うと対消滅を起こし、エネルギーを放出して消滅してしまうことが分かっている。

反物質はLHCのような粒子加速器で作ることができるが、反物質核または「反核」の自然発生源は地球上に存在しない。しかし、この反粒子は天の川の他の場所で自然に生成されており、科学者たちはその起源を2つ考えている。

まず、太陽系外からやってくる高エネルギー宇宙線と、星と星の間を埋める星間物質に含まれる原子との相互作用が、反核の発生源として考えられている。

もう一つは、銀河系全体に散らばる暗黒物質粒子の消滅だ。科学者たちは暗黒物質についてほとんど知らないが、星や惑星や私たちを形成する日常的な物質を構成する陽子や中性子のような粒子で構成されていないことは確かである。これに対し、暗黒物質は、WIMP(弱い相互作用をする重い粒子)やMACHO(巨大なコンパクトハロー天体)といったカラフルな名前を持つさまざまな粒子で構成されていると科学者たちは考えている。あるシナリオでは、暗黒物質の粒子が衝突すると、その粒子が消滅して、電子や陽電子などの軽物質と反物質の粒子になると考えられている。もし暗黒物質の消滅が本当に宇宙の反物質の源であるならば、反物質は暗黒物質への道を指し示すかもしれないと、科学者たちは期待している。

暗黒物質が実際に直接観測されたことはない。そのため、この重要な謎を解明するための検出を試みる多くの独創的な技術が生み出されている。もし暗黒物質の消滅が本当に宇宙の反物質の源であるならば、反物質は暗黒物質への道を指し示すかもしれないと、科学者たちは期待している。

暗黒物質を探索する方法の1つは、通常の原子に存在する原子核の反物質版である「反原子核」を捕らえることである。反原子核は、暗黒物質粒子間の相互作用によって生成される可能性があり、この捉えどころのない物質の本質を探る長年の疑問に対する窓となる可能性がある。しかし、反原子核のほとんどは、地球から数万光年離れた銀河系中心付近の高密度な乱雑領域で生成されており、その広大な距離を越えてどれだけの反原子核が私たちに到達できるかは明らかではない。

今回、科学者たちは、地球上で最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器(LHC)のALICE検出器を用いて、イオン化された、あるいは電子を取り除かれた鉛原子を衝突させ、反物質の消滅を調査した。そして、これらの衝突によって生成された反ヘリウム3原子核が、通常の物質とどのように相互作用するかを測定したのだ。この実験により、反ヘリウム3原子核が通常の物質と出会って消滅する速度が初めて明らかになった。

そこで研究チームは、コンピュータプログラムを使って、反粒子が銀河系を伝播する様子をシミュレーションし、このモデルにALICEで測定された消失率を導入した。このモデルによって、研究者たちは銀河全体に結果をあてはめ、反原子核が生成される2つのメカニズムについて考察することができた。反物質は宇宙線と星間物質との衝突によって生成されるとするモデルと、弱相互作用質量粒子(WIMP)と呼ばれる暗黒物質が反物質の起源であるとするモデルである。

ALICEチームは、それぞれのメカニズムについて、反ヘリウム3原子核に対する天の川の透明度、つまり、反ヘリウム3原子核が破壊または吸収される前に自由に移動できる距離を見積もった。その結果、暗黒物質モデルでは約50%、宇宙線衝突モデルでは、生成される反核のエネルギーによって25%から90%の透明度があることがわかった。

この結果は、仮説上の暗黒物質粒子が実際に天の川銀河を横断して地球に到達する可能性があることを明らかにし、「暗黒物質を発見するための非常に有望な経路」であることがわかった。

科学者たちはすでに、国際宇宙ステーションに搭載されたアルファ磁気分光器(AMS)などの実験によって、宇宙でこれらの反原子核を探しているが、まだ明確に確認されたものはない。来年は、GAPS(General Antiparticle Spectrometer)と呼ばれる成層圏の気球搭載実験でこの探索を進める予定で、さらに地球から約16,000km離れた宇宙空間に反原子核検出器を設置する計画もあるようだ。

この反原子核によって、暗黒物質粒子の質量の範囲が明らかになり、それによって、競合する暗黒物質モデルのうちどれが正しいのかを絞り込むことができる用になる可能性がある。この情報は、宇宙の進化と構造を理解するために不可欠な、この謎の物質の直接検出を実現するために不可欠なものなのだ。

ALICE の広報担当者 Luciano Musa 氏は、「今回の発見は、宇宙から軽い反物質核を探索することが、依然として暗黒物質を探索するための強力な方法であることを示しています」と同じ声明で述べている。

研究の要旨

私たちの銀河系では、反陽子と反中性子からなる軽い反核は、高エネルギー宇宙線と星間物質との衝突によって生成されるか、あるいは、まだ発見されていない暗黒物質の粒子の消滅によって生じる可能性がある。地球上では、反核を高精度に生成して研究するためには、高エネルギーの粒子加速器で反核を生成するしかない。素粒子の反粒子の性質は詳しく研究されていますが、軽い反核と物質との相互作用に関する知識は限られています。我々は3He(3He¯)が物質粒子と出会い、大型ハドロン衝突型加速器ALICE検出器内で対消滅あるいは分解する際の消滅確率を決定する。この非弾性相互作用断面積は、暗黒物質の消滅と星間物質内での宇宙線相互作用から生じる3He(3He¯)の伝播に対する我々の銀河の透明度の計算の入力として使われる。特定の暗黒物質プロファイルでは、透明度は約50%であるが、宇宙線源では25%から90%まで3He(3He¯)の運動量の増加に応じて変化すると見積もられた。この結果は、3He(3He¯)核が銀河系内を長距離移動できることを示し、宇宙線との相互作用や暗黒物質消滅の研究に利用できることを示している。



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