[비즈한국] 暗黒物質（ダークマター）。天文学者にとって、非常に魅力的であると同時に頭を悩ませる存在だ。観測される宇宙の姿を説明するには暗黒物質が必要だが、その正体が何なのか、明確な証拠をつかめていないからだ。
いまだ解けない暗黒物質の難題について語る時、冗談半分で「もう天文学者のせいではなく物理学者のせいだ」と言うことがある。天文学者は星や銀河の動きを数十年間観測しながら暗黒物質の存在を推定し、その特性まである程度絞り込んできた。しかし、天文学者は本質的に空を見る人であるに過ぎない。
今やその幽霊を実際に捕獲する責任、ゴーストバスターズの役割は物理学者の手に委ねなければならない。ところが最近、物理学者がついに何か怪しいものを捉えたと発表した。長い待ち時間の果てに、ついに暗黒物質粒子を捕獲したかもしれないという主張だ。果たして長きにわたる狩りは実を結んだのだろうか？
暗黒物質の候補から整理する必要がある。まだ正体が全く分からないため、想像上の候補が実に多い。
まずWIMP（ウィンプ）がある。WIMPは特定の粒子一つを指すのではない。弱い力程度の相互作用を基盤とし、極めて稀にしか相互作用しない仮想の粒子候補だ。WIMPは比較的重く、通常の物質とも稀に反応し得る。代表的なものに、超対称性理論で語られるニュートラリーノやヒグシーノのような仮想粒子がある。ニュートラリーノは標準模型において中性ボソンの対称粒子が絡み合って作られる粒子だ。ヒグシーノはヒッグスボソンの超対称性パートナーで、スピンが0ではなく1/2であるフェルミオンという特徴を持つ。今回話題となったLZ（LUX-ZEPLIN、ラックス・ゼップリン）実験で追いかけている幽霊候補が、まさにこうした重いWIMPたちだ。
それよりもはるかに軽いアクシオンという候補もある。アクシオンは強い相互作用で対称性が破れないようにするために提案された概念だ。別名「第4のニュートリノ」と呼ばれる不活性ニュートリノも暗黒物質候補として挙げられる。既存の他のニュートリノと違い、弱い相互作用すら行わず、重力にのみ影響を受ける仮想のニュートリノだ。
WIMPのように重い暗黒物質粒子は、原子核に直接打撃を与えることができる。一方、アクシオンのように軽い暗黒物質粒子は、原子核よりも電子に残す痕跡の方が有利な場合がある。もし暗黒物質がニュートリノであれば、実験装置内でベータ崩壊が起こる際、その電子のエネルギー分布が期待値と微細に異なることを通じて、暗黒物質の存在を間接的に確認できる。このように、暗黒物質がどのような種類の粒子かによって検出方法が変わる。
残念ながら、暗黒物質がどのような種類の粒子であるかさえ、まだ分かっていない。そのため、やむを得ずあらゆる可能性を開いておき、我々が知るすべての方法を同時に実験しながら待つしかない。どこかで確実なシグナルが捉えられて初めて、暗黒物質がどのような種類の粒子であったのかが分かる。素性を知っている犯人が現れるのを待つ張り込み捜査ではなく、素性すら知らない犯人が偶然捜査網に引っかかることを願う状況だと言える。仮に怪しい何かを捉えたとしても、それが我々が待っていた犯人なのかを確認する過程も難しく、慎重にならざるを得ない。
LZ実験は、これらの候補のうち原子核を直接打撃できる重いWIMP系列の暗黒物質候補を探している。米国サウスダコタ州の地下1.5kmにサンフォード地下研究施設が設置されている。暗黒物質の狩り場が地下深くへと降りていく理由は、四方から降り注ぐ宇宙線のせいだ。地表には宇宙線によって作られたミュー粒子のような粒子のシャワーが絶えず降り注いでいる。これらの粒子は周囲の物質と反応しながら中性子も作る。中性子は電気的に中性でありながら原子核を叩くことができる。暗黒物質でもないのに暗黒物質の真似をする厄介な奴らだ。厚い岩盤はこうした粒子を大幅に減らしてくれる。一方、我々が探しているWIMPは通常物質とほとんど反応しないと分かっているため、岩盤のほとんどを通過できる。
LZ実験装置の中心には液体キセノンが7トン入っている。『プロジェクト・ヘイル・メアリー』に登場する異星種族ロッキーが自在に扱うまさにその成分だ。もちろん我々はロッキー種族とは異なり、キセノンを固体としては扱えない。この中に入っている液体キセノンの中で、実質的に暗黒物質探索に活用されるのはチャンバー内側にある約4.7トンだけだ。外郭にある物質は汚染される可能性が高いためである。
キセノンを選択した理由は、まず原子核が重いからだ。キセノンは原子番号54番であるだけに重い。液体キセノンは水より密度が約3倍重い。そのため、厄介な暗黒物質粒子もキセノン原子核とぶつかり痕跡を残す可能性が少しだけ高くなる。これだけでなく、外壁のキセノンは外部放射線を遮蔽して内側を保護する役割も果たす。キセノンは化学的に安定しており、不純物を精密に除去するのにも有利だ。
最大の利点は、WIMPがキセノンとぶつかった際、同時に2種類の光を残すという点だ。まずWIMPが液体状態のキセノン原子核とぶつかるとすぐに、数十ナノ秒以内に最初の閃光が飛び出す。この時178nm波長の紫外線を四方に放出するが、これをS1と呼ぶ。
この過程でキセノン原子核から電子が放出される。解放された電子は電場に従って上へと移動する。液体キセノン上の気体層へと抜け出し、気体状態にあった他のキセノン原子らと連続して激しく衝突する。この衝突により再び励起されたキセノン原子は2番目の光を放出する。これをS2と呼ぶ。
S1が漏れ出し、ごくわずかな時間の後にS2が続いて漏れ出す。2つの信号の間の時間差で、最初の信号がどれほど深い場所から始まったのかが分かる。そして、上側の光センサーが感知した光が広がった形状を通じて、最初の信号が始まった水平位置も分かる。連続して起きた瞬間の信号を通じて、検出器内部のどこでいつ始まったのかを立体的に復元する。
原子核にWIMPが直接ぶつかる核反動と、漏れ出した自由電子による電子反動は、その信号の様相が異なる。各信号で検出された光と電荷の比率を比較すれば、衝突した粒子が何であるかを推論できる。このように物理学者たちは非常に徹底して、WIMPとしての暗黒物質を待つ網を設置しておいたのだ。今や全ては宇宙の偶然に委ねるしかない。我々が望む偶然は大きく分けて2つだ。第一に、どうか暗黒物質の正体が他の種類ではなくWIMPであってほしい。第二に、そのようなWIMPがちょうどこの検出器を貫通して通過しなければならない。
2023年3月から2024年4月まで合計220日間、粘り強い狩りが続いた。狩りが始まってまだ初期だった2023年6月16日、怪しい信号が捉えられた。続いてS1とS2と思われる信号が検出されたのだ。しかし、すぐには大騒ぎしなかった。さらに激しく息詰まる内部検証の時間が続いた。ひょっとして岩盤をかき分けて入ってきた他のニュートリノや、宇宙線のいたずらではないだろうかという不安な気持ちで、一種のブラインドテストを経る。
最初に信号が捉えられても、どの区域に信号が記録されたのかを研究者たちが全く分からないように暗号化されている。万が一途中で疑わしいデータを見て偏向した誤解を招く可能性があるからだ。最終データまで収集がすべて終わってから初めてデータを開封する。そうしてこそ、観測期間中に集めた全データと比較した際、統計的にどれほど有意な信号なのかを客観的に判断できるからだ。
そのため、研究者たちも2023年6月に信号が捉えられたことを後になって確認した。当時、検出器を瞬時に通り過ぎた怪しい信号の存在は、3年以上経ってから世間に知らされることになった。非常に徹底して激しい検討を経たといえる。
最終分析に使われた信号は1710件だった。大部分は予想されたバックグラウンドノイズとよく合致した。しかし、6月16日に捉えられた2つの信号はバックグラウンドノイズのトレンドから外れた。信号が捉えられた位置も検出器の壁から十分に離れており、外部宇宙線の汚染である可能性は高くなかった。
研究陣は今回の信号を引き起こした原子核反動エネルギーの規模が、最低250keVを超える水準でなければならないと推定した。これは途方もなく大きいエネルギーだ。一般的な平凡な粒子では、これほど水準のエネルギーで原子核をかく乱させることは難しい。この閾値だけでも、原子核をかく乱させ得る数多くの他の要因が自動的に排除されると見ることができる。研究陣はその信号の正体を、ヒッグスボソンの超対称性パートナーであるヒグシーノと推定した。どれほど嬉しかったのか、研究陣は信号を確認して論文を書き始め、たった一日で草案を完成させたという。
もし本当に暗黒物質粒子だったのであれば、非常に強力な粒子が偶然検出器を掃き抜けていったと見ることができる。モデルによって値は変わるが、この信号の有意性は残念ながら3シグマを超えない2.6シグマ程度だ。同じ方式で探索を続けた場合、これほど水準の異常な信号がまた飛び出す確率は0.5%もあるという意味だ。暗黒物質である確率が99.5%という意味ではない。
あまりスッキリする結果ではないが、そもそも暗黒物質がいかに尻尾の短い奴かを考えれば、これだけでもかなり興味深い事件と言える。今後さらに長く同様の信号を待ち続け、暗黒物質の疑いシグナルの統計的なデータまで十分に積み重なった時、その時になって初めて我々はもう少し明確な結論に近づくことができるだろう。
もちろん大騒ぎするにはまだ程遠い。過去にも暗黒物質と疑われる信号を発見したと思ったが、独立した検証が失敗に終わり、残念なハプニングで終わったケースも多いからだ。代表的にイタリアのグランサッソにあるDAMA実験は、季節によって暗黒物質の信号が変化する様相を捉えたと発表したが、大韓民国の独立した検出実験では同様の信号は確認されなかった。今もイタリア、韓国だけでなく、地球各地の検出器が暗黒物質を期限なく待っている。
正体不明の暗黒物質との粘り強いかくれんぼを見ながら、暗黒物質も結局エーテルの歴史をたどることになるだろうと言う人も多い。可能性はあるが、エーテルの状況と単純に同列に置いて語ることは難しい側面もある。光の速度が方向や時期に関係なく常に一定に測定されるという否定できない実験を通じて、数千年間人類の宇宙を満たしていたエーテルの亡霊はきれいに消え去った。
暗黒物質は事情がより微妙だ。もっと厄介だとも見ることができる。暗黒物質を立証しようという実験は多いが、まだ確実な証拠は出ていない。だからといって、確実に暗黒物質がないことを示す実験的アイデアも特にない。暗黒物質がないことを明確に立証することさえ非常に難しい状況だ。
誰かは、そもそも暗黒物質という定義自体が、相互作用をしない粒子だと巧妙に設定されたせいで検出信号が見えなくても、「暗黒物質はもともとそういうものだ」と言い訳をしているのではないかと不満を言うかもしれない。そのような側面があることは否定できない。だからといって、長い間宇宙で観測された一貫した現象、宇宙が外見よりも重く重力が強そうに見えるという問題をすべて無視することもできない。科学の真に厳粛かつ厄介な原則の一つは、「証拠の不在が不在の証拠にはなり得ない」という点だ。
結局、暗黒物質をめぐる論争の結末は2つのうちのどちらかだ。暗黒物質の信号を明確に捉えて正体を突き止めるか、音沙汰のない検出器ばかりを眺めながら暗黒物質の痕跡を期限なく待つか。どうか2023年に捉えられた2度の短いシグナルが、この長きにわたる戦いの終わりを告げる最初の狼煙であってほしいと願う。
筆者 チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の無用さについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの本を著し、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。