暗黒物質の目撃の可能性が物理学界を沸かせる

夏は暗黒物質の正体を暴くのにちょうどいい時期かもしれない。ミネソタ州の鉱山の地下半マイルに埋められた暗黒物質実験に取り組んでいる研究者たちは、電気パルスに季節によって変化するちらつきが見られ、それが WIMP、つまり弱く相互作用する巨大粒子の明らかな兆候かもしれないと述べている。

もしそれが正確であれば、この新たな発見は、ほぼ10年間にわたって議論を呼んできた、イタリア中部の山の地下にある研究所で行われたこれまでの研究を裏付けることになる。

この新しい結果は、ミネソタ州スーダン鉱山のコヒーレントゲルマニウムニュートリノ技術（CoGeNT）実験から得られたもので、検出器はWIMPとゲルマニウム結晶内の原子との間の最も微弱な相互作用を探している。シカゴ大学カブリ宇宙物理学研究所のフアン・カラー率いる研究者らは、約15か月分のデータを研究した。それほど多くはないが、3月の火災で中断された。

カブリ研究所によると、彼らはWIMPとゲルマニウム結晶の相互作用に季節変動の兆候を確認した。それはWIMP信号そのものではありませんが、WIMP信号から見られると予想されるものだとカラー氏は述べた。WIMPは宇宙の約23パーセントを占める暗黒物質の粒子であると考えられている。

これらの言葉では言い表せない粒子は、電磁力や強い核力と相互作用しないため、見るのは難しい。これが、検出器が地中に埋められ、古い廃坑に新たな命を吹き込む理由の 1 つだ。厚い岩石層が、通り過ぎる WIMP からの非常に微弱な信号を遮る可能性のある背景放射線や宇宙線から機器を保護するのだ。

検出器は、15 か月間、1 日平均 1 回の WIMP の相互作用を検出しました。季節による変動は 16 パーセントでした。(結果のより詳しい説明については、Collar 氏への詳細なインタビューをこちらでお読みください。)

これは、以前のイタリアの実験を反映するとともに、地球が銀河系内の暗黒物質の雲に遭遇する仕組みに関する定説とも合致している。

地球が太陽の周りを回る軌道の夏期に入ると、その動きは天の川面における太陽自身の動きの方向と一致する。これにより、銀河に広がる暗黒物質粒子の雲を通過する地球の正味速度が増加する。科学者は暗黒物質雲の存在を推測でき、地球がそこを猛スピードで通過していることも知っているので、春と夏に暗黒物質信号の増加が見られるのは理にかなっている。それが、この結果が示していることだ。

数年前、イタリアのグラン・サッソで行われたDArk MAtter/Large ナトリウムヨウ化物バルク (DAMA/LIBRA) 実験で、同じ現象が観測されたと主張されました。しかし、多くの物理学者がその発見を否定しました。その後、2009年にスーダン鉱山で行われた別の実験、極低温暗黒物質探索で、WIMPの可能性がある熱シグネチャが発見されました。

別の論文では、フェルミ国立加速器研究所の物理学者ダン・フーパー氏とシカゴ大学のクリス・ケルソー氏がCoGenTとDAMA/LIBRAのデータを検討し、数値は一致していると述べた。「真の位相が5月初旬にピークを迎えるとすれば、これはDAMA/LIBRA共同研究で報告されたものと一致する変調となるだろう」と両氏は述べている。

カラー氏は、研究チームは、自分たちの研究結果がDAMAの結果をわずかに排除するものなのか、それともDAMAの結果とわずかに一致するものなのかをまだ検討中だと述べた。一方、フーパー氏とケルソ氏は、別の暗黒物質実験であるCRESST共同研究でも、CoGeNTが発見したとされる粒子とほぼ一致する研究結果が報告されていると述べた。

しかし、問題はここにある。同じ鉱山での実験を含む他の実験では、暗黒物質の兆候は見つかっていないのだ。では、どれを信じるべきなのだろうか？

「残念ながら、まだ正確な科学ではありません」とカラー氏は言う。「しかし、私たちが持っている情報、ハローとこれらの粒子、このハロー内でのそれらの挙動について私たちが立てる通常の一連の仮定からすると、物事は予想通りのようです。」

これは私たち全員にとって何を意味するのでしょうか? 物理学者は、科学における最大の謎の 1 つである暗黒物質の性質を解明することにますます近づいています。暗黒物質を理解することは、宇宙の起源と進化を理解するのに役立ちます。新しい、より深い地雷探知機が実験を強化し、宇宙に新しい暗黒物質探知機が設置されていることから、暗黒物質研究の未来はかなり明るいものになりそうです。

[シカゴ大学、テクノロジーレビュー]