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何十年もの間、ダークマター(暗黒物質)とそのとらえどころのない性質は、物理学者や天文学者を困惑させてきた。一般的な理論では、ダークマターは宇宙全体に拡散している単純で軽い粒子だと考えられていた。

しかし、最近の研究はこの考え方に疑問を投げかけており、ダークマター粒子がはるかに稀で、しかしはるかに重い可能性が考えられるようになっている。そして宇宙がビッグバンの最初の瞬間にダークマターを作り出したのではないかというアイデアを提唱している。

プレプリントサーバーarXivに掲載された論文の中で、宇宙論者たちは 「リサイクルダークマター」と呼ばれる概念を掘り下げている。この新しいメカニズムは、超重量ダークマター(UHDM)粒子が宇宙初期の相転移の余波で生成されたという可能性を紹介している。

研究者たちは、これらの粒子が超高密度のポケットの中で絡み合い、ブラックホールの形成につながり、やがて多様なダークマターへと進化していったと提案している。

ブラックホールが重要な役割を果たす

この研究は、ダークマターが特異で軽い粒子であるという従来の見方に疑問を投げかけるものだ。

ダークマターが物質とほとんど相互作用しない軽量の粒子であるという単純なものであるというこれまでの仮定は、そのような粒子を探すための広範な探索が空振りに終わり、決定的な結果が得られないという挫折に直面してきた。その代わりに研究チームは、ブラックホールが重要な役割を果たす、より複雑なモデルを提案している。

今日では、宇宙初期の相転移の間に、ひとつの統一された力が、重力、弱い力、電磁気力、そして強い力という4つの基本的な力に変化したことがわかっている。

研究チームは、超重量ダークマターがこのような遷移の間にポケットに閉じ込められ、あるポケットは遷移したが、他のポケットは遷移せず、ブラックホールへの崩壊を引き起こした可能性があると指摘している。

しかし、それで終わりではない。ブラックホールはホーキング放射を受け、徐々に蒸発し、新しいダークマター粒子を放出する。研究チームのモデルによると、以前のダークマターはより軽かった。

さらに研究チームの理論では、これらのブラックホールの死によって、宇宙のダークマターの総量が制限されることが示唆されている。通常の物質と同様、ダークマターもさまざまな物質から構成されており、”ダークマター周期表”が存在するというのだ。

ダークマターの解明

リサイクルされたダークマターは依然として推測の域を出ず、その大部分は理論上のものであるが、宇宙の大部分を占める謎めいた物質についての新鮮な視点を提供してくれる。

この理論を裏付ける実験的な証拠はまだ見つかっていないが、1つ以上のダークマターの粒子種を直接検出することで、その発見は加速されるだろう、とLive Science誌は報じている。重力波を再現し、ダークマターを探索する試みは現在進行中である。

研究チームは、リサイクルダークマターに関する今後の調査の必要性を認めつつも、この発見が宇宙に関する我々の知識を一変させる可能性があることを強調している。


論文

参考文献

研究の要旨

ダークセクター粒子はダーク相転移の際に偽の真空に運動論的に閉じ込められる。偽のポケットは崩壊して原始ブラックホール(PBH)になり、最終的にビッグバン核合成(BBN)の前に蒸発してダークセクター粒子を再生する。すべてのPBHがBBNの前に蒸発するという条件から,高スケールの相転移が必要となり,したがって真の真空中のダークセクター粒子の質量も高スケールになる。したがって、我々のメカニズムは1012GeV以上の質量を持つ超重量暗黒物質(UHDM)の生成に適している。偽ポケット数密度が指数関数的に抑制されるため、UHDMの正しいレリック密度が得られる。リサイクルされたUHDMにはいくつかの新しい特徴がある。暗黒のセクターはかつて熱平衡にあった複数の非結合種から構成され、PBHの形成段階は暗黒のセクターと可視のセクターを結合する赤外演算子によって形状を制御できる拡張された質量関数を持っている。

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