物理学者たちは、かつては暗黒物質の候補と考えられていたアクシオンの存在を否定した。
暗黒物質は科学者を悩ませている。宇宙の約27%は暗黒物質、つまり誰も真相を解明していない検出不可能な謎の塊であると広く信じられている。天文学者はその影響を観察し、実験やシミュレーションを通してより深く理解することができるが、暗黒物質が正確に何なのかは、いまだに解明されていない。
物理学者チームが天文観測ではなく実験装置を用いて暗黒物質の探索を行ったところ、残念ながら、この不可解な目に見えない物質を構成すると考えられていたアクシオンの兆候は、幅広い質量範囲にわたって発見されなかった。この結果は分析され、水曜日にPhysical Review X誌に掲載された。
この実験は、中性子電気双極子モーメント共同研究の一環として、スイスのポール・シェラー研究所とフランスのグルノーブルにあるラウエ・ランジュバン研究所の研究者らによって行われた。
科学者たちは電場と磁場を用いて中性子を容器内に閉じ込めました。中性子は全体として電荷を持っていませんが、個々に正または負の電荷を持つクォークで構成されており、これが中性子に磁気モーメントを与えています。
ビッグバンの暗黒物質が噴出することで作られた古代の太いブラックホール
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外部磁場の存在下では、中性子は前述の磁気モーメントにより、ラーモア周波数と呼ばれる周波数で歳差運動をします。科学者たちは磁場の方向を変えることで中性子のラーモア周波数の変化を測定し、そこから中性子内部の正負の電荷の分布を表す指標である電気双極子モーメントを計算しました。
もしアクシオンが目に見えない暗黒物質として存在していたとしたら、その物質の余分な存在が観測可能な形で測定値を歪ませるはずです。しかし、研究チームは予期せぬ変化は検出しませんでした。謎のゲストは見つからず、暗黒物質の犯人の兆候もありませんでした。
変動
論文の共著者で、英国サセックス大学の数学・物理科学教授のフィリップ・ハリス氏は、「フランスとスイスで行った測定を分析したが、少なくとも実験で観測可能だった種類のアクシオンは存在しないという証拠が得られた」と述べた。
「アクシオンを探す際、測定値が一定の周波数で時間とともに変動するかどうかを観察します。もし変動するなら、中性子とアクシオンの間に何らかの相互作用があったことの証拠となるでしょう。しかし、私たちはそのような相互作用を観測していません。」
10 -24電子ボルトから10 -17電子ボルトという広い質量範囲において、アクシオンの存在を裏付ける信号は実質的に得られなかった。これはアクシオンの存在の可能性を否定するものではないが、科学者たちがダークマター候補の探索範囲を絞り込んだことを意味するだけだと、論文の共著者でありサセックス大学の物理学大学院生であるニコラス・エアーズ氏は述べた。
「これらの結果は、暗黒物質探索の新たな境地を開くものです」と彼は述べた。「幅広い質量を持つアクシオンの存在を否定し、暗黒物質の候補となり得る粒子の種類を絞り込むのに役立ちます。そして、全く別の目的で収集されていたこれらの結果が、アクシオン探索にも応用できることは素晴らしいことです。」
暗黒物質の特定は理論物理学の勝利であり、工学上の偉業となるだけでなく、宇宙における物質と反物質の不均衡の原因を研究者が理解する助けとなるかもしれない。
宇宙創成期のある時点では、物質と反物質は等量存在し、互いに消滅するはずでした。物質は宇宙全体に広がっており、反物質はほとんど、あるいは全く残っていないことから、物質がその戦いに勝利したように見えます。ダークマターは、この奇妙な非対称性を解き放つと考えられています。
しかし、それまでは、これらの結果は「本質的に物理学者を暗黒物質探索の計画段階に戻すことになる」とハリス氏は結論付けた。®
