ダークマターの痕跡か――南ダコタの地下実験施設で異常な粒子反応を検出
南ダコタ州の地下約1マイルに位置するサンフォード地下研究施設（SURF）に設置されたLUX-ZEPLIN（LZ）ダークマター実験が、既知の物質では説明しがたい異常な粒子反応を記録した。宇宙の質量の約85％を占めるとされるダークマターの正体解明に向け、数十年間追い求められてきた成果につながる可能性がある。
かつて金鉱山として使用されていたSURFは、現在、ダークマター検出のための世界最高感度を備える検出器を備える施設となっている。LZ実験は2021年から、10トンの超高純度液体キセノンを満たされた遮蔽タンク内における光の閃光を記録してきた。これらの閃光は、弱く相互作用する質量の大きい粒子（WIMP）がキセノン原子と衝突する際に発生する。実験は米国エネルギー省傘下のローレンス・バークレー国立研究所が管理しており、39の機関から250人の科学者・技術者で構成される国際チームが結果を分析している。
異常イベントの特性――背景ノイズで説明できない反応
研究チームが2023年3月から2024年4月にかけての220日分のデータを再検討したところ、1つの異常なイベントが検出された。従来の分析は単純なWIMP相互作用からの微弱な信号を探索していたが、今回の再検討では検索パラメータを拡張し、より高いエネルギーの相互作用を対象とした。検出されたイベントが示した核の反跳エネルギースペクトラムは、既知の背景信号（通常物質による)では説明困難な特性を備えていた。
ブラウン大学の教授でLZの広報担当者であるリック・ゲイツケル氏は声明で「ダークマターが姿を現すと予想される領域に、競合する背景ノイズが非常に少ない中でこのイベントを検出できたことに大きな興味を抱いている。ただし1つのイベントだけでは結論を急ぐべきではない。私たちはダークマターを発見したと主張していない。しかし興味深い何かを目撃したため、科学コミュニティの意見を求めたい」と述べた。
分析の結果、このイベントの背後にある粒子は、もしそれが真のダークマターであれば、陽子の質量の200倍以上となると判定された。しかし今の段階では、そうした仮定を立てるには時期尚早である。検出の有意度は2.6シグマで、発見を主張するための標準的基準である5シグマをはるかに下回っている。統計的には、このイベントが既知の背景相互作用で説明される確率はおよそ0.5％とされている。
ダークマター解明への道のり――さらなる検証が必須
SLAC国立加速器研究所の物理学者で、LZ科学チームの一員であるダニエル・アケリブ氏は、ダークマターにまつわる数十年来の謎を解くには、複数の異常イベントが必要になると指摘している。氏は電子メールでの回答で「結果が確認されることが望まれる。また液体アルゴンなど別の同位体でそれが観測されることで、物質への結合方法を学ぶことも必要だ。さらに実験室でそれを生成することも重要だ。何かが『ぶつかる』のを見ることは、その宇宙論的存在量を決定できることとは全く異なる」と述べた。
ダークマター謎の起源は1930年代にさかのぼる。スイスの天文学者フリッツ・ツウィッキー氏がコマ銀河団における銀河の総質量は、目に見える星からの光では説明できない数百倍の量があると指摘したのが始まりだ。1970年代には、米国の天文学者ベラ・ルービン氏が「欠落質量」問題は広範な銀河に共通することを発見した。天体物理学者たちは、その欠落質量は目に見えない物質から構成されていると結論に至った。
WIMPは現在、ダークマター謎における最有力候補である。一時期、物理学者たちは通常物質でできた暗黒天体――放浪惑星、焼け尽きた星、褐色矮星、原始ブラックホールなど――が欠落質量を構成する可能性も提唱していた。研究報告は2026年度TeV粒子宇宙物理学会議で科学講演として発表され、査読付きジャーナルである『Physical Review Letters』への投稿が予定されている。
出典: Universe Today
