世界的な科学者チームが、宇宙に存在する物質の84％を占めるダークマターの複雑な性質について理解を深めた。彼らが注目したのは、「ダークフォトン（Dark Photon）」と呼ばれる理論上の粒子で、とらえどころのないダークマターと通常の物質との橋渡しになるかもしれない。

“暗黒”を探求するにつれ、ダークマターに関する新たな洞察が浮かび上がってきた

量子色力学の下での包括的な新しい分析によれば、ダークフォトンは素粒子衝突型加速器の実験結果に対して、素粒子物理学の標準モデルよりもはるかに適合性が高い。

実際、オーストラリアのアデレード大学ダークマター素粒子物理学卓越研究センター（ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics）の物理学者Nicholas Hunt-Smith氏が率いる研究チームは、信頼度を6.5シグマと計算し、ダークフォトンが観測結果を説明できない確率は10億分の1程度であることを示唆した。

「ダークマターは宇宙の物質の84％を占めていますが、それについてはほとんどわかっていません。その存在は、その重力相互作用からしっかりと立証されていますが、世界中の物理学者の最善の努力にもかかわらず、その正確な性質は依然として解明されていません。この謎を理解する鍵は、ダークフォトンにあるかもしれません。ダークフォトンは、ダークセクターの粒子と通常の物質との間の入り口として機能するかもしれない理論的な巨大粒子です」と、『Journal of High Energy Physics』誌に掲載された論文の共著者であるアデレード大学のAnthony Thomas教授は言う。

ダークマターは宇宙における最大の謎の一つである。それが何であるかはわからないが、通常の物質に重力の影響を及ぼしている何かが存在する。私たちや私たちの物理的世界が構成されている通常の物質は、ダークマターよりもはるかに少ない。

ダークマターについてさらに解明することは、世界中の物理学者にとって最大の課題のひとつである。

粒子衝突からの洞察

ダークマターの候補はいくつもあるが、まだ特定出来ていない。そして、標準模型は、通常の物質の粒子の物理には適しているが、ダークマターについてはまだ説明できていない。

一つの可能性は、仮説上のダークフォトンが何らかの形で関与しているということだ。ダークフォトン（暗黒光子）とは、仮説上の隠されたセクター粒子であり、電磁フォトン（光子）に似たフォースキャリアとして提案されているが、ダークマター（暗黒物質）に関連している可能性が高い。ダークマターに関する既存の理論を検証することは、Thomas教授のような科学者が、同僚のMartin White教授、Shuangong Wang博士、Nicholas Hunt-Smith博士とともにオーストラリア研究会議（ARC）センター・オブ・エクセレンスのメンバーとして行っているアプローチのひとつである。暗黒物質素粒子物理学チームは、このとらえどころのない、しかし非常に重要な物質についての証拠を増やそうとしている。

「私たちの最新の研究では、深部非弾性散乱の過程で生じるあらゆる実験結果に対して、ダークフォトンが及ぼす可能性のある影響を調査しました」とThomas教授は語った。

深部非弾性散乱とは、高エネルギー衝突後に粒子が散乱する特定の方法を指す。研究者たちは、多くの粒子衝突型加速器からのデータを用いて、衝突後の粒子の発散の仕方において、ダークフォトンが微妙な役割を果たしている可能性を探った。素粒子物理学では、深部非弾性散乱は、電子、ミューオン、ニュートリノを使ってハドロン（特に陽子や中性子などのバリオン）の内部を探るために使われるプロセスに与えられる名前である。

非常に高いエネルギーまで加速された粒子の衝突の副生成物を分析することは、素粒子の世界の構造とそれを支配する自然の法則を解明する良い手がかりを科学者に与える。

研究者たちはまた、標準模型のとげのひとつであるミュー粒子の磁気異常についても調査した。強い磁場の中でミューオンが揺れ動く様子の測定値は、標準模型の予測値と3～4標準偏差の開きがあり、まだ研究されていない力が働いていることを示唆している。

研究チームは、ダークフォトンの可能性を導入することで、ダークフォトンを候補とする傾向が強まるだけでなく、ミュー粒子の磁気異常が大幅に減少することを発見した。

「我々は、最先端のJefferson Lab Angular Momentum (JAM) parton distribution function global analysis frameworkを利用し、ダークフォトンの可能性を許容するために基礎理論を修正しました。我々の研究は、ダークフォトン仮説が6.5シグマにおいて標準模型仮説よりも望ましいことを示しており、これは粒子検出の証拠となります」とThomas教授は述べている。

ダークフォトンが存在すると主張するまでには、まだかなりの研究が必要であるが、研究者たちは、今回の発見が、他のアノマリー研究者たちに、標準模型を超える光線について自分たちの総和をチェックするよう説得することを期待している。

論文

• Journal of High Energy Physics: Global QCD analysis and dark photons

参考文献

• The University of Adelaide: New clues to the nature of elusive dark matter
• via ScienceAlert: Dark Photons Could Explain One of The Universe’s Greatest Mysteries

研究の要旨

われわれはJAMモンテカルロの枠組みで高エネルギー散乱データの大域的なQCD解析を行い、ハイパーチャージBボソンとの運動論的混合によって標準模型(SM)の電弱結合を増強する暗黒光子との結合を含む。われわれはまず，標準模型が自然界の真の理論であると仮定し，ミューオンのg – 2への影響も考慮して，ダークフォトンの質量と混合パラメータの制限を設定する。その代わりに、ダークフォトンが深部非弾性散乱(DIS)に関与している可能性を考慮すると、高次の不確定性を考慮した後でも、6.5σでSM理論よりもSM理論に最も適合することがわかった。ダークフォトンによるχ2の改善は、我々が適用したすべてのテストに対して安定しており、理論予測の改善はxとQ2の広い範囲に広がっている。最大の改善は固定ターゲットとHERA DISのデータに対応し、最良のフィットは最新の実験的決定との不一致を大幅に減らすg – 2の値をもたらす。