スタンフォード大学とSLACの物理学者たちは、暗黒物質を検出できると期待される装置を開発したが、彼らが発見する理論上の粒子が正確に何であるか（隠れた光子か、アクシオンと呼ばれる小さな粒子か）はまだ疑問符が付いていない。
隠れた光子は、通常の光子、つまり光の粒子と非常によく似ていると考えられていますが、質量を持ち、通常の物質との相互作用がはるかに弱いため、隠れた存在とされています。アクシオンは、素粒子（正確にはボソン）の一種であり、その存在が証明されれば、物理学者が宇宙を理解する上で長年抱えてきた問題を解明できる可能性があります。
暗黒物質は確かに存在するように思われます。その重力効果はほぼすべての銀河で観測できるからです。しかし、暗黒物質は間接的に観測できるものの、実際にその構成要素が何であるか、部分的であろうと全体であろうと、その正体は未だに発見されていません。
暗黒物質の原因は必ずしも一つだけではありません。宇宙の約27%が暗黒物質であるように見える理由は複数考えられます。有力な候補としては、弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）、それよりもはるかに質量の小さいアクシオン、隠れた（暗黒）光子（暗黒光子と呼ばれることもある）、そして巨大コンパクトハロー天体（MACHO）と呼ばれる種類の天体などが挙げられます。WIMPはかつて暗黒物質の最有力候補でしたが、2020年にGizmodoが報じたように、WIMPを検出するために行われた数々の精巧な実験では「何も見つからなかった」という結果が出ています。
「アクシオンは説明するのがいつも少し難しいのですが、物理学者が総じてこれほど興奮している理由はいくつかあります」とスタンフォード大学の理論物理学者ピーター・グラハム氏は米Gizmodoに語った。「その一つは、別の理由で予測されていたものの、後にそれが実は自然にダークマターの候補として有力なものであることに気づいたことです。」
洗濯用洗剤にちなんで名付けられたアクシオンは、素粒子物理学の標準モデルでは説明されていないが、この分野における厄介な問題、すなわち中性子の予測される特性の一部が自然界には見られないという問題を説明できる可能性がある。（物理学者は当然のことながら、オッカムの剃刀、つまり最も単純な解決策がおそらく正しいという考え方、つまり物事を過度に複雑にする必要はないという考え方の熱烈な支持者である。）しかし、アクシオンが本当に中性子の異常な挙動を引き起こしているのかどうかを知るためには、研究者たちはアクシオンを発見する必要がある。
「これは標準モデルの問題を解決する唯一の強力な方法です」と、スタンフォード大学とSLACの物理学者であり、ダークマター・ラジオの主任研究者であるケント・アーウィン氏はギズモードに語った。「ダークマターはさておき、アクシオンが存在しないとしたら、標準モデルにとって本当に厄介な問題となるでしょう。」
ダークマターラジオプロジェクトは、特定の周波数範囲に隠れた光子を検出することを試みています。これは、ダイヤルを系統的に回すことで、そのような粒子が発する可能性のある波長を根気強く徹底的に探索することを意味します。このラジオの将来の世代では、アクシオンの探索が行われます。
素粒子には、ごく小さいものもあれば、とてつもなく大きいものもあります。中には、粒子加速器で起こる衝突のように、他の物質との衝突が比較的容易に検出できるほど質量の大きいものもあれば、空間的に拡散しているため、捉えにくい振る舞いをする粒子もあり、波として検出されやすいのです。
「（アクシオンは）非常に軽いため、量子力学によれば、実際には非常に長い距離にわたって広がっているはずです」とグラハム氏は述べた。「アクシオンは背景波、つまり私たちが浸っているような背景流体と考えることができます。」
もし暗黒物質が少なくとも部分的にアクシオンや隠れた光子であるならば、その物質は毎秒あなたや私の中に大量に流れ込んでいることになります。ニュートリノのように、理論上の粒子は、その豊富さゆえに通常の物質中に遍在すると同時に、相互作用が極めて少ないため、事実上物質を超越した存在でもあります。理論上は分散しているため、アクシオン波は幅数フィートからフットボール場ほどの大きさまで、あらゆる場所に広がる可能性があります。
そのため、ダークマターラジオは、ダークマター粒子の背景周波数、つまり粒子が伝わる特定の周波数を探すことで、ダークマター粒子を探索しています。これは、特定の電波が送信している周波数でしか受信できないのと似ています。この特定のラジオは他のあらゆる波から遮断する必要があるため、絶対零度よりわずかに高い温度まで冷却されたヘリウムの入ったデュワー瓶に浸されます。（デュワー瓶とは、物質を特定の温度に保つための真空フラスコで、この場合は容器です。この場合はヘリウムを非常に低温に保つためです。）
現在進行中のダークマターラジオ実験は、将来的に実現する大規模プロジェクトのプロトタイプ、あるいはパスファインダーです。超伝導ニオブ金属でできた1リットルの容積の円筒形で、その周囲にニオブ線がきつく巻き付けられています。まるでギターの弦を糸巻き機の横軸ではなく縦軸に巻いたような見た目です。これがパスファインダーのインダクタです。パスファインダーが調整された周波数で共鳴する隠れた光子がこれを通過すると、磁場の変化によって装置のインダクタ周囲に電圧が発生します。
「帰無仮説は、今回のケースのように暗黒物質の一種である隠れた光子が存在しない限り、その箱の中には電波は存在しないはずだということです」と、スタンフォード大学の物理学者でDM無線チームのメンバーであるスティーブン・クエンスナー氏は述べています。隠れた光子は「箱を通過することができ、電波と同じように回路と相互作用する確率がいくらかあります」とクエンスナー氏は述べました。
パスファインダーが受信する信号を増幅するために、前述の部品を覆うニオブ板の六角形シールドがコンデンサとして機能します。増幅された信号は、1960年代にフォード・モーター社が発明した技術であるSQUID（超伝導量子干渉素子）と呼ばれる量子センサーに送られます。SQUIDはラジオの底面に配置され、受信した信号を測定・記録します。
アクシオンの予想質量が小さくなるほど、通常の物質との相互作用が質量に比例するため、アクシオンは捉えにくくなります。そのため、次世代のDM無線はより高感度であることが重要です。実験の設定では、「ダイヤルの周波数がアクシオンの質量です」とアーウィン氏は言います。「便利ですね！これらの粒子の質量は、原子やクォークのような考えられる最も小さなものとは比べものになりません。これらの粒子は1電子ボルトの1兆分の1から100万分の1の間くらいで、1電子ボルトは陽子の質量の約10億分の1です。」
パスファインダーの部屋は居心地が良く、普通の物理学実験室とほとんど変わらないように見えるが、パスファインダーをヘリウムガスに沈める威圧的な装置と、地震に備えて壁に鎖でつながれた巨大なヘリウムガスタンクを除けば、その様子は一変する。1989年、アーウィンはスタンフォード大学の大学院生で、大学の地下室で研究をしていた。その時、マグニチュード6.9のロマ・プリエタ地震がこの地域を襲い、壁の消火器が吹き飛んだ。実験室ではヘリウムガスを危険にさらすようなことはしていないと言っても過言ではない（ヘリウムは可燃性ではないものの、酸素と置き換わって窒息を引き起こす可能性がある）。
パスファインダーが使用するヘリウムは気体で、4ケルビン（絶対零度より4度高い）という比較的温かい温度を維持していますが、次の実験「ダークマターラジオ50L」では、絶対零度より1度未満に冷却された液化ヘリウムを使用します。これは、ダークマターの音を聴くのに非常に効果的です。
DMラジオ50Lは、スタンフォード大学ハンセン実験物理学研究所の大きな部屋の隅に設置されている。部屋はウィリー・ウォンカの工場のテレビルームを少し彷彿とさせる。天井が高く、不可解な機器が多数設置され、まばゆいばかりの白さだ。片側には、奥行きのあるクローゼットに隣接して設置された高さ6フィート（約1.8メートル）の希釈冷凍機2台がラジオとして機能している。この2台の機械には、隣の部屋にあるタンクに貯蔵されているヘリウムガスが供給され、冷却されて2ケルビン（約2.7ケルビン）の液体ヘリウムとなる。検出されたアクシオンは、金メッキされた銅とアルミニウムの外装に収められた磁石によって電波に変換され、物理学者が解析できるようになる。
「素粒子物理学コミュニティは、よく言われるように、戦艦のようなものです。方向転換に時間がかかり、大きな運動量を持っています」とアーウィン氏は述べた。「ですから、WIMPよりも、電波のような暗黒物質信号（アクシオン信号）の方が魅力的であると信じる理由はたくさんあると思いますが、それでも小さなものを探すための大規模な実験が数多く行われています。これは良いことです。」
アクシオン探索に関する他の実験としては、ワシントン大学のADMX実験、フェルミ国立加速器研究所のQISMET実験、MITのABRACADABRA実験、そしてエール大学のHAYSTAC探索などがあります。DMラジオはこれらのいくつかに似ていますが、異なる範囲でアクシオンを探索しています。アメリカ国内および海外で行われている一連のアクシオン探索は、アクシオンの質量の可能性を制限しています。
ダークマター・ラジオ自体は、むしろ実験群として捉えるべきでしょう。チームは現在、エネルギー省と共同で、立方メートル単位のアクシオンを探す次世代実験（DMラジオ-m³）に取り組んでいます。より遠い将来、アーウィン氏と彼のチームは、地球上で最大級の物理実験に匹敵する規模となる「DMラジオ-GUT」というプロジェクトを構想しています。
これらの実験を合わせると、アクシオン質量の最も有望な領域が広大な範囲に広がっている。アーウィン氏によると、アクシオン質量の有望な領域は、今後数十年かけてより大規模な実験を行うことで探索できる可能性があるという。ただし、それ以前に研究チームがアクシオンを発見し、暗黒物質探索に終止符を打つ可能性もある。十分な観測を続ければ、教科書に載るような全く新しい粒子が見つかるかもしれない。あるいは、電波が途絶えるかもしれない。
続き：暗黒物質の第一容疑者は中性子星から逃げているかもしれない
