ダークコードの解読：仮説上の粒子の宝探し

暗黒エネルギーと暗黒物質は、「21 世紀初頭の物理学の空に浮かぶ 2 つの暗雲」と呼ばれています。しかし、中国科学院高能物理研究所の准研究員であるガオ・ユー氏と済南大学理工学部の教授であるヤン・チャオリー氏は、科技日報のインタビューで、物理学者たちは長年の研究を経て、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子が暗黒物質と強い相互作用の基本的な対称性の問題を説明できるだけでなく、暗黒エネルギーの謎や物質と反物質の不均衡さえも説明できることに気づき始めたと指摘した。

アクシオンは多くの宇宙の謎を解く鍵となることから、アクシオンを探す「宝探し」が世界各地で本格的に行われています。

アクシオンとは何ですか?

1977年、物理学者フランク・ウィルチェクは、一部の科学者の探究のペースを永遠に変えることになる定期的な散歩をしました。

その散歩中に、彼は二つの考えを思いつきました。 1つは、ヒッグス粒子として知られるようになった理論上の粒子が他の粒子とどのように相互作用するかです。もう1つは、強い電荷パリティ（CP）と呼ばれる理論物理学の問題に対する解決策としてアクシオンを使用するというアイデアです。

高宇氏は次のように説明した。「ウィルチェク氏が『アクシオン』と呼んだものは、量子色力学における対称性理論を解くために理論物理学者が予測した新しい素粒子に基づいています。『アクシオン』の英語名は言葉遊びです。AXI-ON = 軸 + 粒子です。ウィルチェク氏は、同じ名前の洗剤ブランドが粒子の特性を説明するのに非常に適していると考え、この名前を選びました。」

研究者らは、アクシオンが存在する場合、それは量子力学の奇妙な法則に従うだろうと指摘している。つまり、それらは波と粒子の両方になり得るということです。粒子としての質量は非常に小さく、電子の質量の約 10-11 ～ 10-9 倍になります。そのマクロ的な波長は、3,000 光年にも及ぶ銀河の幅に匹敵します。

いくつかの謎が明らかになることを期待する

科学者がアクシオンを導入したのは、本質的にそれが非常に弱く、したがって極めて弱い CP 対称性の破れを表すことを期待したからです。その結果、アクシオンの質量は非常に小さくなり、理論上は他の粒子との相互作用がほとんどなくなります。これらの特性は暗黒物質とまったく同じであるため、アクシオンは暗黒物質研究の理想的な候補となります。

「暗黒物質が暗い理由は、光とほとんど相互作用しないからです。光を反射することも、光を生み出すこともありません。これはアクシオンの弱い相互作用の特徴と完全に一致しています」とヤン・チャオリー氏は語った。

初期の宇宙はたくさんのエネルギーで満たされていました。宇宙が冷え続けると、アクシオン場が振動し始め、脈動する光と熱の形でエネルギーを放出し、これらの振動によって運ばれるエネルギー密度は暗黒物質のように進化しました。

楊喬利氏は次のように説明した。「アクシオンの質量が非常に軽い場合、宇宙の年齢はアクシオン場が1回振動するのに必要な時間よりも短い場合もあり、そのためアクシオンは一種のダークエネルギーとみなすことができます。このように、宇宙が膨張すればするほど、アクシオン場のエネルギーが大きくなり、宇宙が膨張し続けるように促すことができます。」

アクシオンは、宇宙の他の2つの謎を解く手がかりも提供する可能性がある。まず、ハッブル定数の危機です。科学者が宇宙マイクロ波背景放射の測定値と現在の宇宙論の標準モデルを組み合わせて導き出したハッブル定数は、Ia型超新星やその他の天体物理学的指標に基づいて観測される値よりも一貫して大幅に低い。科学者たちは、初期の宇宙に特定のアクシオンのような粒子が存在していた場合、宇宙マイクロ波背景に基づく予測が変わり、ハッブル定数の危機が解消される可能性があると予測している。

2つ目は、物質と反物質の不均衡の謎です。宇宙が誕生したとき、物質と反物質は同量生成され、出会った直後に消滅するはずだったが、実際には物質が優勢となった。 2020年にフィジカル・レビュー・レターズに掲載された論文では、ビッグバンの初めにアクシオン場の動きによって物質と反物質の不均衡が生じ、今日まで進化してきた宇宙では反物質より物質のほうがはるかに多くなっており、すべてのものはアクシオン場から生まれた可能性があると指摘されている。

「狩り」作戦にはさまざまなトリックがある

アクシオンは他の粒子とほとんど相互作用せず、質量も極めて小さいため、検出は極めて困難ですが、いくつかの探索はすでに始まっています。

現在最大の実験は、米国ワシントン大学のアクシオン暗黒物質実験（ADMX）であり、その目的は磁場を利用して光子に崩壊するアクシオンを捕獲することです。理論的には、宇宙のアクシオンは、超伝導磁石に囲まれたマイクロ波空洞内で低エネルギーのマイクロ波光子に変換できます。マイクロ波光子はキャビティによって増幅され、検出器によって検出されます。

CERN の「アクシオン太陽望遠鏡」は、太陽によって生成されたアクシオンを検出するために X 線望遠鏡を使用するという異なるアプローチを採用しています。太陽の核反応プロセスでは、ニュートリノや高エネルギー光子などのさまざまな粒子が生成されます。アクシオンも生成される可能性があり、生成されたアクシオンの運動エネルギーは非常に高くなります。変換によって生成される光子のエネルギーはX線帯域にあり、X線望遠鏡で観測できます。

さらに、アクシオン-光子振動は遠方の星のエネルギースペクトルの形状を変える可能性があり、その「手がかり」は、我が国の硬X線変調望遠鏡、口径500メートルの球面電波望遠鏡、重力波バースト高エネルギー電磁波対応全天監視衛星、高高度宇宙線観測所などの高精度または高エネルギー天文観測で捉えられる可能性があります。

近年、アクシオンの質量の広範囲性を利用した様々な新しい小規模実験が登場しています。英国シェフィールド大学で「隠れ領域量子センシング」と呼ばれる新しい実験が2024年に開始される。他のアクシオン探索実験と比較して、この実験は絶対零度に近い温度で実行できるため、本質的に量子的な実験となり、他の実験よりも感度が高くなることが期待される。

ヤン・チャオリー氏は、成熟度が増すアクシオンには、まだ探索すべき広いパラメータ空間があると述べた。米国のマサチューセッツ工科大学やエール大学、イタリア国立原子核物理研究所、韓国アクシオン・精密物理学センターなど世界トップクラスの大学や研究機関が関連研究を活発に進めています。

Gao Yu氏とYang Qiaoli氏はともに、ADMXに代表される共鳴空洞実験技術が暗黒物質アクシオンの国際的な探索の熱狂をもたらしたと考えている。現在、中国は国際先進レベルに追いつくための実験条件を備えている。スピン磁気測定や各種共鳴空洞などの多くの検出方式が積極的に推進されており、その中には中国で独自に提案された独自の方式もあります。