宇宙の物質の約8割は「暗黒物質」と呼ばれる未発見の物質です。その存在は約 90 年前から理論化されてきましたが、JEDI 共同研究の科学者たちは高度な粒子加速器技術を使用して、それを検出する新しい方法を開発していますが、決定的な証拠は依然として掴みどころがありません。
宇宙の物質の約8割は「暗黒物質」と呼ばれる未発見の物質です。暗黒物質の存在は約 90 年前から理論化されてきましたが、JEDI 協力の科学者たちは高度な粒子加速器技術を使用して暗黒物質を検出する新しい方法を開発していますが、決定的な証拠は依然として掴みどころがありません。
「これは、銀河内の目に見える物質の速度分布と、これまで観察されていなかった形態の『暗黒』物質がさらに銀河を安定化させるに違いないという現在の知識とを調和させる唯一の方法です」と研究の共著者の一人であるヨルグ・プレッツは説明する。彼はまた、ユーリッヒ研究センターの核物理研究所の副所長であり、アーヘン工科大学の教授でもあります。
物理学者は 1930 年代からこの物質を探してきました。科学界には理論が溢れていますが、暗黒物質の検出に成功した人はまだ誰もいません。フォルカー・ヘジニー博士は、「暗黒物質の性質がまだ完全に不明瞭だからだ」と述べた。
ハイニ博士もユーリッヒ核物理研究所の出身で、同僚のイェルク・プレッツ氏と同様に、実験を実施した国際協力組織JEDIのメンバーでもある。 JEDI は、Jülich Electric Dipolemoment Investigations の略称です。この共同研究に参加した科学者たちは、2011 年から荷電粒子の電気双極子モーメントの測定に取り組んできました。
「暗黒物質は目に見えず、これまでのところ重力によって間接的にしか現れていません。その影響は比較的小さいため、実際に暗黒物質が明らかになるのは銀河全体など、非常に大規模な場合のみです。」
理論物理学者は、暗黒物質が構成されている可能性があるいくつかの仮説的な素粒子を提案しています。これらの粒子の特性に応じて、さまざまな方法を使用して粒子を検出できます。この方法では、重力効果の高度に高度な検出は必要ありません。これらの方法には、アクシオンおよびアクシオン様粒子が含まれます。
JEDI の科学者たちは実験で、ユーリッヒ粒子加速器 COSY の特別な機能である偏光ビームの使用を利用しました。写真提供: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
「Axion はもともと、量子色力学の強い相互作用理論の問題を解決するために開発されました」と Pretz 氏は説明します。 「アクシオンという名前はノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェクにまで遡り、洗剤のブランドを指します。いわば、粒子は物理理論を「クリーンアップ」するために存在します。」
アクシオンを検出するために、JEDI 協力の科学者たちは粒子のスピンを利用しました。 「スピンは量子力学特有の性質であり、粒子を小さな棒磁石のように振る舞わせるのです」とヘジニー氏は説明する。 「たとえば、医療画像処理における磁気共鳴画像法 (MRI) はこの特性を利用しています。このプロセスの一環として、原子核のスピンは強力な外部磁場によって励起されます。」
磁気共鳴画像法は暗黒物質の探索にも使用されています。通常の MRI では原子は静止していますが、加速器では粒子がほぼ光の速度で移動します。これにより、特定の領域の検査がより高感度になり、測定がより正確になります。
JEDI の科学者たちは実験で、偏光ビームの使用というユーリッヒ粒子加速器 COSY の特殊な機能を利用しました。 「従来の粒子ビームでは、粒子のスピン方向はランダムです」とプリッツ氏は言う。 「偏光粒子ビームでは、スピンは一方向に揃っています。」この機能を備えているアクセラレーターは世界中でわずか数社だけです。 」
科学者が推測しているように、私たちの周囲にアクシオンの背景場がある場合、これはスピンの動きに影響を与えるため、最終的には実験で検出される可能性があります。ただし、予想される影響は最小限です。測定の精度が十分ではありません。しかし、JEDIの実験では暗黒物質粒子の証拠はまだ見つかっていないが、研究者らは考えられる相互作用効果をさらに絞り込むことに成功した。おそらくもっと重要なことは、彼らが暗黒物質の探索において新しく有望なアプローチを確立できたことだ。