ダークマターの正体はWIMPだけじゃない？軽い粒子候補に迫る最新研究
宇宙の主役、その見えない正体
私たちの宇宙の約27%を占めるとされる「ダークマター」。光を放出せず、電磁波ともほとんど相互作用しないため直接見ることはできませんが、その重力による影響を通じて、銀河の回転や宇宙の大規模構造形成に不可欠な存在であることが分かっています。まさに宇宙の構造を決定づける、見えない主役と言えるでしょう。
このダークマターの正体が何であるのかは、素粒子物理学と宇宙論における最大の謎の一つです。これまで、ダークマターの有力候補として「WIMP（Weakly Interacting Massive Particle）」、つまり「弱い力で相互作用する重い粒子」が長らく考えられてきました。これは、宇宙の進化の初期に自然に生成され、現在のダークマターの量を説明しやすい性質を持つためです。世界中で、地下の観測施設などでWIMPを直接検出するための様々な実験が行われてきました。
しかし、これらの実験は年々感度を上げていますが、今のところWIMPを明確に捉えるには至っていません。この状況から、科学者たちは「もしかしたら、ダークマターの正体はWIMPではないのかもしれない」という可能性も真剣に考えるようになっています。そして今、特に注目されているのが、WIMPよりもはるかに「軽い」粒子をダークマターの候補とする研究です。
多様な「軽いダークマター候補」たち
「軽い」とは、具体的にはどのくらいの質量なのでしょうか？ WIMPは陽子の質量（約1 GeV: ギガ電子ボルト）と同等か、それより重い数百から数千GeVの質量が想定されることが多いのに対し、ここでいう「軽いダークマター候補」は、meV（ミリ電子ボルト、1 GeVの約10億分の1）からeV（電子ボルト、1 GeVの約10億分の1）といった、非常に小さな質量を持つ粒子を指します。
このような軽い粒子をダークマターの候補とする理論はいくつか提案されています。代表的なものをいくつかご紹介しましょう。
- アクシオン (Axion): ある素粒子理論（強い力のCP問題という謎を解決するために提案された理論）から自然に導かれる、非常に軽い（meV以下の可能性もある）仮説上の素粒子です。アクシオンは他の物質や光との相互作用が非常に弱いため、「見えない」存在であるダークマターの性質によく合います。
- ステライルニュートリノ (Sterile Neutrino): 私たちが知っている3種類のニュートリノとは異なり、標準的な素粒子の相互作用をほとんどしない仮説上のニュートリノです。質量は数keV（キロ電子ボルト、eVの1000倍）程度が想定されることが多く、アクシオンよりは重いですが、WIMPよりは軽い候補です。もし存在すれば、超新星爆発や初期宇宙で生成された可能性が議論されています。
- ファジーダークマター (Fuzzy Dark Matter): これは、非常に軽い（10^-22 eV程度といった極めて小さい質量）ボース粒子がダークマターの正体であるとする考え方です。量子力学的な効果（波動性）が銀河スケールに及ぶと考えられており、従来の冷たいダークマター（CDM）モデルが抱える小規模構造に関するいくつかの問題（例えば、銀河中心部のコア・カスプ問題など）を解決する可能性が指摘されています。
これらの軽い粒子候補は、それぞれ異なる理論的背景を持ち、宇宙における振る舞いや検出方法も異なります。
軽いダークマターを探る実験の最前線
WIMPの探索では、ダークマター粒子が原子核と衝突する際の微弱な信号を地下で捉える「直接検出実験」が主流ですが、軽いダークマター候補を探るためには、全く異なるアプローチが必要です。
- 共振空洞実験によるアクシオン探索: 磁場中でアクシオンが光子に変換される現象を利用する実験が進められています。特に、マイクロ波の共振空洞を用いた実験（例: ADMX実験など）は、特定質量範囲のアクシオンを探す上で高い感度を発揮します。共振周波数を掃引することで、様々な質量のアクシオンの信号を探します。
- X線観測によるステライルニュートリノ探索: もしステライルニュートリノが崩壊してX線を放出するならば、そのX線を宇宙望遠鏡で観測することで存在を確認できる可能性があります。銀河団や銀河中心部など、ダークマターが多く集まっている場所からのX線スペクトルを詳細に分析することで、ステライルニュートリノの信号を探す研究が進められています。
- 天文・宇宙論的観測: ファジーダークマターのような極めて軽い粒子は、その波動性によって銀河や銀河団の構造形成に影響を与えると予想されています。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のパターン、銀河の分布、矮小銀河の構造などを精密に観測し、標準的なCDMモデルの予測と比較することで、軽いダークマター候補の存在やその性質に制約を与えようとする研究も活発に行われています。
- その他の探索手法: 光や磁場との弱い相互作用を利用した実験（例: 光が磁場中を通過する際の偏光の変化を見る実験など）、さらには特定の軽い粒子を生成する可能性のある加速器実験など、多岐にわたる方法で探索が進められています。
未解明な宇宙の謎に挑む
WIMPに代わる、あるいはWIMPと共存する可能性もあるこれらの「軽いダークマター候補」の研究は、ダークマターの正体という深遠な謎に挑む上で、非常に重要な方向性を示しています。それぞれの候補は異なる理論的根拠と予測される性質を持っており、それを検証するためには、上述のような様々な種類の、高精度な実験や観測が必要です。
現在進行中の、あるいは計画中の新しい実験や観測は、これまでのWIMP探索では到達できなかった質量や相互作用の範囲を探ることを目指しています。もし、これらの実験のいずれかで軽いダークマター候補からの信号が捉えられれば、それは宇宙の根源的な構成要素の発見という、歴史的な出来事となるでしょう。
ダークマターの正体はまだ謎に包まれていますが、WIMPだけでなく、アクシオン、ステライルニュートリノ、ファジーダークマターといった軽い粒子候補を含め、多様な角度からの探求が続けられています。宇宙の主役「ダークマター」の本当の姿が明らかになる日は、そう遠くないかもしれません。