宇宙の大部分を構成していると思われる目に見えない物質の正体を解明するための莫大な費用と努力にもかかわらず、暗黒物質候補とされる物質は科学実験によって未だ検出されていない。しかし今、ある研究チームが新たな暗黒物質実験の設計を提案した。それは超薄型の鏡を用い、「暗黒光子」と呼ばれる物質の検出を目指すものだ。
今年初めにPhysical Review Letters誌に掲載されたこの研究では、コインサイズの加速度計について説明されており、理論上は従来の実験では観測できないほど小さな粒子の存在を測定できる可能性がある。この研究は、同じチームが昨年夏に発表した論文を補足するものである。
彼らが発見を期待している理論上の粒子は、ダークフォトンと呼ばれています。これは光子と混同されるべきではありません。「光子と同様に、ダークフォトンは『電磁場』に相当するもので表されます」と、新論文の筆頭著者であり、デラウェア大学スワティ・シン研究室で量子光学を研究するジャック・マンリー氏は述べています。「しかし、光子とは異なり、ダークフォトンは質量を持っています。この性質から、ダークフォトンは暗黒物質の候補となるのです。」
2つの論文は、異なる種類の暗黒物質の兆候、つまり物理学者がその正体を垣間見ることができると考える異なる方法を探求した。「どちらの論文も、私たちの銀河が電子の何兆倍も軽い粒子の海に浮かんでおり、これらの未検出の粒子が暗黒物質のすべてを構成している可能性を検討しています」と、共著者でデラウェア大学の量子光学理論家スワティ・シン氏は述べた。「しかし、そのような粒子が何であるか、そしてそれらが通常の物質とどのように相互作用するかには、重要な違いがあります。」
物理学者たちは「ダークマター」と名付けた何かを探しています。宇宙を観測すると、私たちが観測できる通常の物質よりもはるかに多くの質量が存在することを示唆する重力効果が見られるからです。そのため、彼らは、その余分な重力を説明するために、現在の技術では見えない「暗黒物質」が存在するはずだと考えています。ダークマターの理論の一つは、アクシオンと呼ばれるものが、目に見えない物質の観測可能な重力効果の原因であるというものです。（最近では、このようなアクシオンが中性子星の謎の中心核で突然現れたり消えたりする可能性があるという説もあります。）長年候補として挙げられているのは、弱く相互作用する巨大粒子（WIMP）です。さらに別の説では、ダークマターは原始宇宙の小さなブラックホールによって説明できる可能性があるとされています。ダークマターがどのように現れ、どこに存在するかについてのこれらの様々な考えは、通常、それをどのように検出するかというアイデアと結びついています。
シン氏は、暗黒物質の密度については大きな不確実性があると説明した。地球サイズの質量1つにつき、リス1匹分の暗黒物質が存在すると彼女は述べた。問題は暗黒物質の量ではなく、その暗黒物質が実際にリスサイズの質量に集中し、超微細粒子の霧となって地球サイズの質量全体に均等に分布しているかどうかだ。
研究チームが提案するのは、コインサイズで厚さ100ナノメートルの、窒化シリコン膜とベリリウム鏡でできたカードだ。この材料は非常に感度が高く、光が表面間で反射すると、検出器は鏡と膜の間の距離が少しでも変化したかどうかを測定できる。これは、何かが両者を押し離したことを示しており、これは新しい物理学の手がかりとなる。音叉のように、研究チームの装置は特定の周波数で暗黒物質を「検知」するように設定できる。このような検出器を多数製作すれば、それぞれを異なるチャンネル（周波数）に設定して暗黒物質を監視できる。一定時間内に結果が得られなければ、チャンネルを切り替え続けるだけで済む。
この装置は拡張性が高く、手頃な価格で提供されており、山の下に1トンものキセノンを埋めるといった従来の暗黒物質検出器のレイアウトとは大きく異なります。実際、チームの設計は卓上型ですが、すぐに理解できるような形状ではありません。
「私たちが言っているのは光学テーブルで、通常は高級車のサスペンションシステムのように、空気圧式の脚で支えられ、地球から隔離されています」と、アリゾナ大学の量子光学実験者で共著者のダルジール・ウィルソン氏は述べた。「もしそれで十分でなければ――きっと十分ではないでしょうが――テーブルの上に別のサスペンションシステムを構築しなければなりません。そしてまた別のサスペンションシステムを構築し、さらにそれを繰り返していくのです。」検出器の吊り下げ状態が良ければ良いほど（自由落下に近いほど）、地球の活動によるノイズを遮断した測定結果の精度は向上します。ウィルソン氏は、これらの論文は必ずしもチームが考案した特定の実験設計に関するものではなく、むしろ同様の困難な課題に対応する精密測定装置の開発に取り組んでいる同様のグループへの呼びかけであると指摘した。
シン氏は、検出器の実験運用は約5年後には開始できると見積もっている。これらの小型センサーは暗黒物質を発見できるだろうか？今のところ誰も発見していない。しかし、たとえ結果が出なかったとしても、物理学者たちは暗黒物質ではないものを知ることができ、将来の探索精度向上に役立つだろう。
詳細: 暗黒物質とは何か、そしてなぜまだ誰も発見していないのか?
