暗黒物質は宇宙の85%を占めていますが、なぜ私たちはそれを見つけることができないのでしょうか?

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科学者たちは、目に見えないアクシオン暗黒物質の探索に、空洞ヘリオスタットと低ノイズのジョセフソンパラメトリック増幅器を使用しました。空洞望遠鏡は、発光体の周囲のハローやその他の物理現象を検出し研究するために設計された高感度の機器です。一方、ジョセフソンパラメトリック増幅器は、マイクロ波光場の量子状態を操作するために使用できる技術的なツールです。フィジカル・レビュー・レターズ誌に最近発表された研究で、研究者らは天の川銀河のハロー内で質量が2.81～3.31 eVの暗黒物質アクシオンを探した。

この探索の結果は、これまでの理論的予測を否定し、目に見えないアクシオン暗黒物質の将来の探索に役立つ情報を提供する可能性があります。 「私たちの研究は2つの異なる物理学上の謎に基づいているが、どちらもアクシオン暗黒物質を検出することで解決されるだろう」とワシントン大学の研究者で研究共著者のニック・デュ氏は述べた。 「一つ目は暗黒物質の謎です。」物理学の研究による過去の証拠は、一般的に通常の物質と考えられているものが宇宙の総質量の約 15% しか占めていないことを示唆しています。

残りの約85パーセントは、光を吸収、放出、反射しない粒子で構成されていると考えられており、そのため、物質を研究するための従来の技術では検出することができません。暗黒物質として知られるこの非発光物質は、現代物理学における最大の謎の一つであり、研究者たちはそれが存在するのか、またそれが何からできているのかをまだ確信していない。暗黒物質の探索はさまざまな機器を使って数え切れないほど行われてきましたが、この謎の物質はまだ観測も検出もされていません。

暗黒物質が何であるかという問題に対する考えられる解決策の 1 つは、別の物理学の分野である原子核物理学から、「強い CP 問題」として知られる別の謎の形でもたらされます。強い CP 問題に対する一般的な解決策は、アクシオンと呼ばれる新しい粒子の存在を予測しており、その特性により、アクシオンは暗黒物質の有力な候補となります。 ADMX 共同研究チームは、アクシオン暗黒物質の探索において、強い CP 問題と暗黒物質の性質の謎の両方を解明したいと考えています。研究者が使用した空洞望遠鏡は、大きな磁場内に配置された共鳴空洞で構成されています。

理論的な予測によれば、天の川銀河のハローにある暗黒物質のアクシオンは、空洞内の磁場と結合して光子を生成するはずだ。生成される光子の数は非常に少ないため、結果として生じる信号を検出するのは困難になる可能性があります。しかし、アクシオンハローミラーの内部共振空洞を光子と同じ周波数に調整することで、銀河ハローによって生成される光子の数を増やすことができます。ある意味では、アクシオン暗黒物質の探索はラジオの仕組みとよく似ています。ラジオの周波数を調整することで、さまざまなラジオ局を聴くことができます。この点では実験は同様でしたが、私たちの局の周波数は不明で、信号ははるかに弱かったです。

暗黒物質アクシオンの探索は数十年にわたって行われており、研究者たちは空洞望遠鏡を使用してそのような探索を数多く行ってきました。目に見えないアクシオンはこれまで検出不可能だったが、実験結果により、アクシオン暗黒物質のベンチマーク理論モデルによってこれまで予測されていたアクシオン質量の範囲が排除された。この実験がアクシオン暗黒物質に対するこの感度を達成したのは実に2回目だが、今回は前回の研究の3倍の範囲に及んだ。この感度を達成し、拡大することで、ADMX は継続的な探索においてアクシオン暗黒物質を発見するための最大の希望の 1 つであることが研究で示されました。

研究者らが収集した観察結果は、暗黒物質アクシオンの将来の探索に役立つ可能性があると同時に、新たな理論的予測への道を開くものとなる可能性がある。研究者たちは現在、さらに高い周波数でアクシオン暗黒物質を探すための新たな研究を行っている。この探索が成功しなかった場合、研究者たちはさらに高い周波数で目に見えないアクシオンの探索を続ける予定だ。より高い周波数では、従来のホールがアクシオンに対してそれほど敏感ではなくなるため、アクシオン暗黒物質の検出がより困難になります。しかし、科学者たちは、マルチキャビティアレイを使用してアクシオン暗黒物質を探索する実験など、この問題を回避するための興味深いプロトタイプをすでにいくつか持っています。

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参考ジャーナル: Physical Review Letters

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