Is Dark Matter Made of Axions?

先週、イタリアの研究所の科学者が、検出器における予想外のブリップは、アクシオンとして知られる長年の懸案である素粒子によるものかもしれないと発表すると、その同僚は慎重に楽観的でした：物理学では、新しい粒子の検出とされるものはしばしば、データ収集を進めるうちに無意味に消えていきます。 物理学では、新しい粒子の検出とされるものは、研究者がデータを集めるにつれて、たいしたことではなくなっていくことが多いのだ。 逆に、アクシオンの存在を証明する理論的根拠は、多くの物理学者にとって説得力がある。 また、この仮説的粒子は、物質宇宙の大部分を構成する謎の物質である暗黒物質の有力候補の一つである。 アクシオンの話は1970年代に始まり、標準モデル（既知の粒子とその相互作用を記述する枠組み）を開発している物理学者が、クォークを束ねて原子核内の陽子と中性子を形成する強い核力について、何か奇妙なことに気づいたときに始まりました。 この力は、中性子が完全に対称になるように、何らかの形でその構造を制御しているのだ。 言い換えれば、中性子は中性だが、その中のクォークは電荷を持っており、この電荷は理由は不明だが、驚くほど均一に（少なくとも最新の測定では10億分の1程度に）広がっている。 素粒子物理学の用語では、中性子は電荷パリティ（CP）対称性を持つと言われている。その電荷をすべて正から負に反転させても、またその振る舞いを鏡で見ても、何の識別もできないだろう。 1977 年にスタンフォード大学のヘレン・クインと故ロベルト・ペッチェイが解決策を提案した。 その後、理論物理学者のフランク・ウィルゼックとスティーブン・ワインバーグは、標準模型を微調整してそのような場を認めると、「アキシオン」と呼ばれる新しい粒子の存在を意味することになると推論した。 (アクシオンは量子力学的な「スピン」を持たないため、ボゾンとなる。 その質量はゼロではないが、信じられないほど小さい。

その重量は驚くほど小さいが、アクシオンは膨大な数で存在するので、物理学者はすぐに宇宙から「消えた」質量の多くを説明できることに気づいた。 1930年代に行われた天文観測の結果、銀河、星、惑星などの目に見える物質は、宇宙に存在する全物質の質量の6分の1以下であり、残りは暗黒物質で占められていることが示唆された。 この暗黒物質の性質は、それ以来、激しい議論の対象になっています。

「アクシオンは、実はとても良い暗黒物質の候補になります」と、スタンフォード大学のピーター・グラハム氏は言います。 宇宙がこの粒子で溢れかえっているはずだという予想を超えて、アクシオンは自然に「暗い」、つまり普通の物質とほとんど相互作用しないのです。 「宇宙はアクシオンを好んで生成し、我々が知っている冷たい暗黒物質のように作用するように生成する」とグラハム氏は言います。 このアクシオンは非常に高エネルギーであるため、暗黒物質の構成要素である可能性は低いのです。 暗黒物質アクシオンは、暗黒物質がそうであると信じられているように、銀河の進化を重力的に導くために凝集することができるように、動きが遅い、あるいは冷たいものでなければならないでしょう。 このようなアクシオンは、宇宙初期に生成されたのではないかと考えられている。 さらに、冷たいアクシオンを生成するプロセスは、インフレーションと呼ばれる宇宙初期の急激な膨張に関係している可能性があるため、この見つけにくい粒子を発見しさらに研究することは、ビッグバン後の最初の瞬間について物理学者が理解するのに役立つだろう。 アクシオンの発見は、インフレーションが起こったことを証明するものではありませんが、その時代の物理学を垣間見ることができる貴重なものだとグラハム教授は言います。 「

しかし、XENON1T チームを含め、科学者たちは慎重な姿勢で対応しています。 しかし、XENON1Tのチームも含めて、科学者たちは慎重に反応している。彼らが確信しているのは、実験の中心である巨大な液体キセノンの槽の中で、驚くほど多くの電子の「反跳」を見たということだけである。 電子を跳ねさせたものが何であるかは、まだ議論の余地がある。 もしニュートリノと呼ばれる素粒子が予期せぬ磁性を持っているとすれば、この配置が観測された結果を説明できるかもしれない。 あるいは、キセノンがトリチウムで汚染されている可能性もある。トリチウムは水素の一種で、自然放射によってXENON1Tで観測された信号が濁ってしまう可能性があるのだ。 つまり、この「信号」が実際には単なるノイズであり、本物の新しい物理学というよりは統計的な揺らぎの産物である可能性が5,000分の1であることを意味しているのです。 この確率は良いように聞こえるかもしれませんが、素粒子物理学で伝統的に正当な発見とされてきた350万分の1、つまり「5シグマ」の基準をはるかに下回っています。

さらにデータを蓄積して実験を改良するだけではなく、XENON1Tの研究者は、見かけ上のシグナルの年次変化を調べます。 太陽軸は、地球が太陽の周りを回るときに、その信号を変動させるはずです。 一方、ワシントン大学のAxion Dark Matter Experiment (ADMX) や、ジュネーブ近郊のCERNにあるCAST (CERN Axion Solar Telescope) と呼ばれる実験から、確証的な証拠が得られるかもしれない。 ADMX はすでにアクシオンの質量について新たな制約を設けることに成功しており、CAST は 2003 年から太陽アクシオンを探しています。

アクシオンが実在すると判明すれば、それは「理論物理学の勝利」になるでしょう。 アクシオンの存在は、標準模型を超える新しい物理学を指し示すものであり、彼や同僚たちが何十年も前から期待していたことなのだ、と彼は言う。 ウィルゼック氏は、初期宇宙で作られたアクシオンを探すために、新しい種類のアンテナを作ることができるだろうと提案する。 これらのアクシオンの測定に成功すれば、「天文学に新しい章を開くことになるでしょう」と彼は付け加えます。 しかし、もしもうひとつのノーベル賞が彼のもとにやってきたら、彼は「それを断ることはないだろう」と言います。