物理学者たちは数年にわたり、イタリアの山に埋められた実験からの信号を再検証しようと試みてきました。その信号は、暗黒物質の容疑者として知られるWIMPに酷似していました。これまで他のプロジェクトでこの信号を観測しようと試みられてきましたが、ことごとく失敗に終わりました。そして今、最初の実験に最も類似した実験が結果を発表しました。その実験でも何も発見されませんでした。
暗黒物質が何なのかは誰も分かっていません。これは、重力によってのみ検出できる目に見えない物質を表す仮置き用語です。しかし、暗黒物質を説明する候補の一つに、WIMP（Weakly Interacting Massive Particles）と呼ばれるものがあります。これは、一部の亜原子粒子は質量を持ちますが、通常の物質との相互作用が非常に弱いため、未だ検出されていないという考え方です。WIMPの探索には、主に非常に高感度の検出器を地中深くに設置し、誤った信号を生成する可能性のある多くの影響から遮断することが用いられます。
2017年にWIMPの信号を検出したとされる実験は、DAMA/LIBRA実験です。DAMA/LIBRAは、暗黒物質のターゲットとしてヨウ化ナトリウム結晶を使用します。これは、暗黒物質が結晶を通過すると励起され、わずかに明るくなるという原理に基づいています。イタリアのXENON1Tや日本のXMASS-Iなど、他の方法でWIMPを探索する他の実験では、DAMA/LIBRAが観測しているような信号は発見されていません。
韓国の地下2,300フィートの研究所で行われているCOSINE-100実験の登場です。COSINE-100実験は、DAMA/LIBRA実験と同じヨウ化ナトリウム標的を200ポンド以上使用しており、DAMA/LIBRA実験の優れた模倣物となっています。COSINE-100実験は2016年からWIMP信号の探索を行ってきました。最初の探索では何も得られませんでした。本日Science Advances誌に掲載された次の探索は、2016年10月から2018年7月にかけて実施されました。COSINE-100チームは、前回と同じくらいほとんど何も発見できなかったと報告しており、これは物議を醸してきたDAMA/LIBRA実験の結果に終止符を打つことになるかもしれません。
「私たちのチームは、WIMPが通常の物質とどのように相互作用するかという最も基本的な仮定に照らし合わせると、DAMAが観測したものはダークマターではないことを発見しました」と、イェール大学の物理学者で、この論文の共著者であるレイナ・マルヤマ氏はギズモードへのメールで述べた。「DAMAがダークマターによるものだと主張する年周変動の観測を、私たちはまだ厳密に検証していません。それが私たちの次の焦点です。」
DAMA/LIBRAは、他の多くの実験とは異なるアプローチで暗黒物質の検出を試みます。他の実験では、既知の粒子との衝突や背景信号を探すことで暗黒物質粒子を探しますが、DAMA/LIBRAは2003年の実験開始以来、地球が方向に応じて異なる量の、原因不明の信号の定期的な変調を観測しています。他のプロジェクトでは、電磁スペクトルのX線帯にある同じ信号を観測できていません。しかし、フォーブス誌のイーサン・シーゲル氏が報じているように、実験のノイズ管理方法が原因で、DAMA/LIBRAの人々は、もともと信号が存在しない場所で信号を検出していた可能性があります。
COSINE-100の論文は「暗黒物質の研究に全く変化をもたらすものではありません」と、イタリア国立原子核物理研究所とローマ・トル・ヴェルガータ大学の物理学者で、DAMA/LIBRAの広報担当者であるリタ・ベルナベイ氏は述べています。「関連する天体物理学、原子核物理学、素粒子物理学の側面について非常に多くのモデルが考えられ、関連するパラメータや仮定には多くの不確実性が存在することを考えると、真剣な比較は実験的にも理論的にも非常に複雑で不確実な作業です。」
ベルナベイ氏は、2つの検出器は同じではなく、COSINE-100チームの方法は「大きな不確実性と偏り」を生み出す可能性があると強調した。
「我々の結果は、最も広く用いられている暗黒物質モデルを前提とするDAMAの暗黒物質解釈を支持するものではないものの、DAMAが無であるとは言えません」と、最近の論文の共著者であり、韓国基礎科学研究所地下物理学センターの物理学者であるヒョン・ス・リー氏は、ギズモードへのメールで述べた。言い換えれば、DAMAは何らかの信号を持っているが、COSINE-100の結果はそれが暗黒物質ではないことを示唆している。
シカゴ大学のダン・フーパー氏のような物理学者の中には、今回の新しい実験は、WIMP が存在するとしても、DAMA/LIBRA 実験では WIMP を見つけることはできないということをうまく示したと感じている人もいる。
「私の見解では、過去10年から15年の間に、DAMA共同研究グループが報告している信号が本当に暗黒物質粒子によるものだと考えることは着実に難しくなってきています。DAMAの主張を裏付けることができない実験結果が次々と発表されました」とフーパー氏はメールで述べた。「私が知る物理学者のほとんど（私自身も含め）は、この可能性を何年も前に事実上諦めています。」
「とはいえ、DAMAが使用したのと全く同じ種類の標的物質を用いた実験が実施できれば、最も説得力のある結果が得られるだろうという点で、私たち全員が同意しました」とフーパー氏は付け加えた。「COSINE実験はまさにそれであり、彼らが何も観測しなかったという事実は、DAMAにおける暗黒物質の解釈にまさに決定的な一撃を与えました。DAMAが何を見ているのか、私にはまだ分かりません。もしかしたら奇妙な背景なのかもしれませんし、彼らが何らかのミスを犯しただけかもしれません。しかし、何が起こっているにせよ、暗黒物質とは何の関係もなさそうです。」
WIMPは暗黒物質の最有力候補としての勢いを失いつつある。近年では、はるかに小さな粒子であるアクシオンがより注目を集めており、原始ブラックホールのような巨大な天体でさえ、一部の分野では仮説の域を出ていない。まだ暗黒物質の直接検出を証明できた者はいないものの、様々な空間を探索する実験が数多く行われている。
「XENONnT、LZ、SuperCDMSといった大規模なWIMP実験で何が見つかるか、とても楽しみです」と丸山氏は述べた。「アクシオンにも魅力を感じており、HAYSTACとその拡張実験に取り組むことに興奮しています。COSINEを使えば、WIMPの探索を続けることができます。そしてもちろん、次のステップはDAMAの究極のテスト、つまり年周変動の測定です。」年周変動とは、毎年増減するあの奇妙な信号そのものです。ダークマターではないからといって、興味がないわけではありません。
物理学では、何も見つからないことは何か見つかることと同じくらい啓発的である可能性があります。暗黒物質の場合、科学者は他の場所を探す必要があると知ることができます。
さらに：もし私たちが暗黒物質の海に住んでいるなら、この小さな鏡はそれを検出できるかもしれない
