暗黒物質は人を殺したことがないが、科学者はその理由を知りたい

「ダークマターによる死」。これはあなたの新しいお気に入りのメタルバンドの名前ではありません。アメリカの物理学者3人組による新しい研究の文字通りのタイトルです。彼らの論文は、ダークマターの候補の1つが真実であると判明した場合、人類にどのような結果がもたらされるかを仮説的に探究しています。ちょっと待ってください。本当に奇妙な話です。

科学者が暗黒物質（宇宙の85パーセントを構成する物質）について語るとき、必ずしも同じ種類の暗黒物質について語っているわけではない。暗黒物質は実際に直接検出されたことがないため、暗黒物質がどのようなもので、どのように動作するのか、そしてもっと奇妙なことに、人体にはどのような影響があるのか​​など、さまざまな理論が飛び交っている。

「このような研究が、暗黒物質の代替候補をもっと多くの人の意識に広めるのに役立つことを期待しています。それは良いことです」と、オハイオ州クリーブランドにあるケース・ウェスタン・リザーブ大学の物理学博士課程の学生で、この研究の筆頭著者であるジャグジット・シン・シドゥ氏は言う。「暗黒物質が何なのか、何でできているのか、私たちはよくわかっていません。できるだけ多くの異なる選択肢を検討するのは良いことです。」

シドゥ氏は、2014年に「マクロ」と呼ばれる仮説上の暗黒物質候補を概説したケース・ウェスタン大学の物理学者グレン・スタークマン氏の下で働いている。マクロとは「マクロスコピック・ダークマター」の略称で、この研究の目的のために知っておく必要があるのは、マクロは暗黒物質の大きくて密度の高い形態の一種であるということだけだ。マクロは、暗黒物質が通常の物質と同じ構成要素から形成され、その中にストレンジクォークが混ざっているという基本的な考えに基づいてモデル化されている。

さらに重要なのは、マクロは実際に通常の物質と相互作用できるはずだということだ。これは、弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）のような、粒子暗黒物質の有力候補とは対照的だ。「典型的なWIMPは、人間や地球を通り抜けてしまいます」とスタークマンは言う。「マクロのポイントは、実際には通常の物質がマクロと非常に強力に相互作用することです」。これらの相互作用はエネルギーを放出し、目に見える効果を引き起こすだろう。

約 1 か月前、スタークマンとシドゥは、マクロ暗黒物質の検出に花崗岩の板 (そう、キッチンのカウンタートップに使われるのと同じ種類の花崗岩) を使用するという提案の論文を発表しました。「マクロが花崗岩を通過すると、花崗岩は溶けます」とスタークマンは言います。「そして、花崗岩が冷えると、黒曜石に変わります。ですから、店で見かけるような花崗岩の板を見れば、これらの黒曜石の「痕跡」を特定できるはずです。」

ナッシュビルのヴァンダービルト大学のボブ・シェラーは、その論文を見て、では人間はどうだろうと考えました。マクロは人間の体内を通過する際にも、深刻で目に見える影響を及ぼすはずです。シェラーは簡単な計算をしてみましたが、世界中の人口の至るところで、少なくとも年に数回はこの種の出来事が起こっている兆候に遭遇する可能性が高いと思われました。それは突飛な考えでしたが、スタークマン、シドゥ、シェラーはそれをさらに調査するほど突飛な考えに陥っていました。

新しい論文では、マクロが人体にどのような影響を与えるかのモデルを概説し、これを現実世界で実際に観察できる機会があるかどうかを検討している。「マクロは、非常に高速で移動する極めて高密度の弾丸と考えることができます」とスタークマン氏は言う。「光速の 0.001 倍の速度で移動しており、これは通常の弾丸よりも数十倍から数百倍の速度で移動していることを意味します。」

これは、宇宙を切り裂く高温の柱のようなものだ。「ジェダイの戦士がライトセーバーであなたを刺すのと同じようなことが、マクロによって起こるのです」とスタークマンは言う。「マクロは分子や原子を吹き飛ばしてイオン化し、体内を通過する軌道に沿ってミニ爆発を起こすのです。」

マクロが人間の肉や骨を貫通して深刻な傷害を引き起こすことができるのであれば、地球上を歩き回っている 75 億人の間で、少なくとも時折このようなことが起こるのを目にすることになるのではないでしょうか。

「原因不明の銃弾のような傷で誰かが死亡し、肉が1000万度の熱で焼け焦げていたとしたら、検死官が報告し、新聞に掲載されるだろうというのはかなり妥当なことだと思います」とスタークマン氏は言う。著者らは、西欧諸国（西ヨーロッパと北アメリカ）に住む何百万人もの人々の間で、過去10年間のどこかの時点で、マクロ関連の死亡が報告されている可能性が高いと主張している。（西欧民主主義国は、死因に関する信頼できるデータがあるため、対象とされた。）

しかし、明らかに、暗黒物質の弾丸による死の報告はこれまでありません。このことから、マクロの存在は基本的に「物理的サイズが数ミクロン程度、質量が50kg未満」に限定される、と著者らは書いています。

これらはすべて理論的な話に過ぎませんが、論文に実用的価値がないというわけではありません。それどころか、この発見は「暗黒物質について考えるための新しいタイプのパラメータ空間を切り開きます」とシェラー氏は言います。「WIMP 暗黒物質とはまったく異なり、この物質は影響の点でもまったく異なります。このマクロ暗黒物質が生み出す可能性のある他の不可解な効果について人々に考えてほしいのです。」

ダークマターが人間にどんな影響を与えるかを考えるのは、これが初めてではない。テキサス大学オースティン校の理論物理学者キャサリン・フリーズ氏は以前、WIMP が人間や動物の放射線被曝の潜在的な原因である可能性について執筆している。この新しい研究は、その限界をさらに押し広げているが、他のモデルではあまり検討されていない極端なシナリオにまで及んでいる。「多くの場合、これは少し賢く洞察力を発揮して物事を少し違った方法で考え、自然が私たちのために用意してくれた可能性を探求する機会です」とスタークマン氏は言う。

他の科学者たちも同じような考えだ。「少なくとも原理的には、こうした考察から暗黒物質が何ではないのかが少しはわかる」とシカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所に所属する宇宙学者で素粒子物理学者のダン・フーパー氏は言う。「暗黒物質の候補を少しでも絞り込めば、暗黒物質の正体を知ることに近づく」

そして、おそらく私たちは予想以上に突破口に近づいている。スタークマンとシドゥは花崗岩の中の黒曜石の痕跡の探索を進めており、万が一何かが見つかれば、文字通り自宅にいながらにして暗黒物質を探索する道が開かれることになる。「そのために5000万ドルは必要ない」とスタークマンは言う。「暗黒物質を探索するためにできる、安価で楽しい方法がある。探索すべき興味深いものがたくさんそこにある」