深淵なる宇宙へ

見えない宇宙の主役：ダークマター探索最前線

宇宙の隠された支配者、ダークマターとは

私たちの知る宇宙は、星や銀河、ガスといった「普通の物質」だけで成り立っているわけではありません。近年の観測によって、宇宙全体の約85%を占める、光を全く出さない「見えない物質」が存在することが明らかになってきました。これが、ダークマターです。

ダークマターは、その名の通り「暗い（ダーク）」上に「物質（マター）」であると推測されています。私たちが見たり触れたりできる原子でできた物質とは異なり、光や電磁波とほとんど相互作用しません。そのため直接観測することは非常に困難ですが、その「重力」を通して、銀河の回転や宇宙の大規模構造形成に大きな影響を与えていることが分かっています。もしダークマターが存在しなければ、銀河は高速で回転するうちにバラバラになってしまうはずですし、現在の宇宙のような網の目状の構造は生まれなかったと考えられています。まさに、見えないながらも宇宙の構造を形作る「主役」と言える存在です。

ダークマターの正体候補とその探索

では、この膨大な量のダークマターの正体は何なのでしょうか。現在、最も有力視されているのは、未知の素粒子であるという説です。様々な候補が提唱されていますが、ここでは代表的なものをいくつかご紹介しましょう。

• WIMP (Weakly Interacting Massive Particle): 「弱い相互作用をする重い粒子」を意味します。標準模型の素粒子とは異なる、非常に重い粒子であり、重力以外に「弱い力」を介してのみ通常の物質と相互作用するという性質を持ちます。宇宙誕生初期に大量に生成され、現在の宇宙に残っていると考えられています。
• アクシオン: WIMPよりもずっと軽い、仮説上の素粒子です。特定の条件下で電磁場とわずかに相互作用する可能性が指摘されており、これもダークマター候補の一つとされています。

これらのダークマター候補の正体を探るため、世界中で様々な実験が進められています。その主な手法は以下の通りです。

1. 直接検出実験: 地下深くなど、宇宙線などのノイズが少ない環境に検出器を設置し、地球に飛来するダークマター粒子が検出器内の原子核とごく稀に衝突する際に生じる微弱なエネルギーや光を捉えようという試みです。衝突が極めて稀であるため、非常に高い感度を持つ検出器が必要です。日本のXMASS実験や、イタリアのXENON実験、米国のLUX-ZEPLIN (LZ) 実験などが代表的です。

2. 間接検出実験: ダークマター粒子同士が衝突したり崩壊したりする際に、ガンマ線やニュートリノ、陽電子などの通常の素粒子を生成すると仮定し、それらの粒子を観測する手法です。衛星や地上望遠鏡を用いて、宇宙から飛来するこれらの粒子を捉え、ダークマター起源の信号がないかを探ります。フェルミガンマ線宇宙望遠鏡や、宇宙ステーションのアルファ磁気分光器 (AMS-02) などがこの手法で観測を行っています。

3. 衝突型加速器による生成: CERNの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のような粒子加速器を用いて、陽子などの粒子を高速で衝突させ、人工的にダークマター粒子を生成しようという試みです。もし生成されれば、それは検出器には直接捉えられませんが、衝突後のエネルギーや運動量が失われる形でその存在が間接的に示される可能性があります。

探索の現状と今後の展望

これらの多角的な探索にもかかわらず、現時点ではダークマター粒子を決定的に捉えたという確固たる証拠は得られていません。特に有力候補であったWIMPに対する直接検出実験は、これまで予測されていた質量範囲の多くで制限を強めており、「WIMP窓」と呼ばれる可能性のある領域が狭まってきています。

しかし、これはダークマターが存在しないことを意味するわけではなく、その正体がWIMP以外の粒子である可能性や、WIMPであってもこれまで考えられていたよりも相互作用がさらに弱い可能性を示唆しています。

近年は、アクシオンのようなより軽い粒子や、非常に重い原始ブラックホールをダークマター候補とする理論も注目されており、それぞれの探索実験も進められています。

ダークマターの正体解明は、素粒子物理学における標準模型のその先を探る手がかりであり、宇宙がどのように誕生し、どのように進化してきたのかという根源的な問いに答える鍵となります。新たな検出器の開発や、理論研究の進展によって、宇宙の見えない主役のベールが剥がされる日が来るかもしれません。その探索最前線から届くニュースは、私たちの宇宙観を大きく変える可能性を秘めているのです。