宇宙で欠けている質量である暗黒物質の集中的で世界的な探索は、これまでのところ、大量の暗い大質量の星や、大量の奇妙な新しい弱い相互作用粒子を見つけることができませんでしたが、新しい候補が徐々に支持者と観測的裏付けを得てきています。

SIMPs (strongly interacting massive particles) と呼ばれるこの粒子は、カリフォルニア大学バークレー校の理論物理学者で、日本のカブリ宇宙物理数学研究所 (Kavli IPMU) 所長の村山仁氏と、現在はイスラエルのヘブライ大学の元 UC バークレー校博士研究員の Yonit Hochberg によって 3 年前に提案されました。

村山氏は、最近観測された近くの銀河の積み重なりはSIMPの存在を示す証拠になり得るとし、将来の素粒子物理学実験によってその1つが発見されるだろうと予想しています。

天文学者は、暗黒物質が目に見えないものの、宇宙の質量の約85パーセントを占めていると計算しています。 その存在を証明する最も確かな証拠は、銀河の中の星の動きです。 目に見えない暗黒物質がなければ、銀河はバラバラになってしまう。

理論家は最初、この見えない物質は、褐色矮星と呼ばれる失敗した星や、燃え尽きた星、ブラックホールなど、目に見えないほど暗い通常の物質だと考えていた。 しかし、いわゆる大質量コンパクトハロー天体 (MACHO) は発見されず、今年初めにすばる望遠鏡が行ったアンドロメダ銀河の観測では、未発見の重要なブラックホール集団は基本的に除外されました。 今回の研究では、宇宙のごく初期に存在したブラックホール、いわゆる原始ブラックホールが、背景の星の前を通過する際に突然明るくなり、弱いレンズのような働きをすることを発見し、その存在を探しました。 村山氏は、「その研究によって、MACHOの可能性はほとんどなくなりました。 それらは比較的大きく、陽子の約100倍の重さがあり、「弱い」相互作用と呼ばれるほど、互いにほとんど相互作用しないはずである。

SIMP は自分自身と相互作用するが、他とは作用しない

SIMP は、WIMP や MACHO のように、理論的には宇宙の歴史の初期に大量に生成されて、その後宇宙の平均温度まで冷却されたはずである。 しかし、WIMPとは異なり、SIMPは重力によって自分自身とは強く相互作用するが、通常の物質とは非常に弱く相互作用すると理論的に考えられている。 村山教授が提唱する一つの可能性は、陽子や中性子などのバリオンと呼ばれる粒子の基本構成要素であるクォークの新しい組み合わせがSIMPであるというものである。

SIMPはWIMPよりも小さく、原子核のような大きさと断面積を持ち、WIMPよりも数が多いことを意味している。

彼は、アベル3827銀河団の中の4つの衝突している銀河に、そのような指紋を見いだしましたが、驚くべきことに、暗黒物質が可視物質より遅れているように見えました。 これは、各銀河の暗黒物質間の相互作用によって、暗黒物質の合体は遅くなるが、通常の物質（基本的には星）の合体は遅くならないと説明できる、と村山氏は言います。 と村山教授は語る。「これによって、今回の観測が説明できるのです。 これは、暗黒物質が新しい種類のクォークの結合状態であるという私の理論が予言するようなことです」

SIMP は、WIMP理論の大きな欠点である小さな銀河における暗黒物質の分布を説明する能力も克服しました。 そして、暗黒物質がどのように集まっているかを数値シミュレーションしてみると、いつも中心に向かって大きく集中していることが予測されるのです。 村山教授は、「カスプ」と呼ぶ。 「しかし、観測によれば、暗黒物質の濃度はより平坦で、カスプではなくコアであることが示唆されています。 コアとカスプの問題は、重力以外の相互作用をしない暗黒物質の大きな問題の1つと考えられてきた。 しかし、もし暗黒物質がSIMPのように有限の大きさを持っているとしたら、粒子は「カチャカチャ」と音を立てて分散し、中心に向かって質量分布が平坦になるはずです。 これは、この種の理論的な考えに対するもう 1 つの「証拠」となります。

村山氏らがSIMPの理論を洗練させ、それを見つける方法を探す一方で、WIMPの探索も続けられている。 サウスダコタ州の地下鉱山で行われている大型地下キセノン（LUX）暗黒物質実験は、WIMPがどのようなものであるかについて厳しい制限を設けており、LZというアップグレードした実験がその制限をさらに押し上げることになります。 カリフォルニア大学バークレー校の物理学教授であるダニエル・マッキンゼーは、この実験の共同提案者の1人で、村山が教員として上級科学者を務めるローレンス・バークレー国立研究所と密接に協力しています。 カリフォルニア大学バークレー校の教授陣は、暗黒物質の条件に合うかもしれないアクシオンと呼ばれる仮想の粒子を探す2つの実験に関与しています。 物理学の名誉教授で現在はドイツのマインツ大学にいるドミトリー・ブドカーと、理論家のシュルジート・ラジェンドラン（UCバークレー校物理学教授）が率いる宇宙軸スピン・プリセッション実験（CASPEr）は、アクシオン場によって引き起こされる核スピンの摂動を探す計画である。 原子核工学の教授である Karl van Bibber は、強磁場中のマイクロ波空洞内で光子に変換されるアキオンを検出しようとする Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF) で重要な役割を果たしています。

「もちろん WIMP を探すのを放棄してはいけませんが、実験の限界は本当に、本当に重要になってきています」と村山氏は言います。

ニュートリノは通常の物質とほとんど相互作用しないので、推定100兆個が毎秒気づきもせずに我々の体内を飛び回り、それが検出を極めて困難にしています。 “しかし、WIMPが出現する兆しは確実にないため、最近は人々がより広い視野で考え始めています。 もう一度立ち止まって考えてみましょう。”

提供：カリフォルニア大学バークレー校