暗黒物質の手がかりは古代の鉱石の中に潜んでいるかも?

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  • author Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US
  • [原文]
  • 岡本玄介
暗黒物質の手がかりは古代の鉱石の中に潜んでいるかも?
Image: Wilson44691/Wikimedia Commons

鉱石には暗黒物質の引っかき傷が残されているかもしれません。

物理学者は通常、宇宙から来る暗黒物質粒子を探すため、大きくて複雑な実験を構築しがち……ですが、もしその存在の手がかりがずっと地球の中に隠れていたとしたらどうでしょうか?

とある物理学者のグループが、カンラン石石膏など、地球のマントルや海水で形成された古代の鉱物の中から、その兆候を探し求めることを提案しています。

暗黒物質とその「美しい」調査方法

さまざまな実験から、宇宙の質量の5/6がダーク・マターだという結果が出ています。この暗黒物質は銀河の足場のように振る舞うものの、その観測はいまのところ重力の影響を通じてしかできないという神秘的な存在なのです。

世界中で行なわれている調査の多くは空振りに終わっているのですが、最近はひとつだけ韓国で信号をキャッチしたと主張する(でもほとんどの科学者たちは否定的な)例外があります。そんなこんなで、科学者たちはこれから、暗黒物質の痕跡を地球の中に求めてみようという動きが出始めたのでした。

これは人によっては、無理があると感じられるかもしれません。ですがこの戦略は、巨大で超高額な現在のダーク・マター検出器を凌ぐいくつかの利点があります。理論的天体物理学者でミシガン大学の研究者キャスリーン・フリース教授は、米Gizmodoにこう語ってくれました。

私たちは何も建造しません。それがこの調査方法の美しいところなのです

これまでのアプローチでは検出できず

暗黒物質は、銀河の回転の仕方や動き方から、宇宙に満たされていることが判明しています。そして地球に届くとわずかながら温度変動を引き起こすと考えられていて、暗黒物質検出器は大体これを原理として作動しています。

もし天体観測が暗示するのと同じくらい宇宙が多くの暗黒物質に満たされているのなら、我々は極めて超繊細な検出器を地下深くに組み立てて、暗黒物質粒子がいずれ何らかの信号として表れることを祈りながら待てば良い、というわけです。

その検出器の材料は、液体キセノン、ナトリウム結晶、および超低温ゲルマニウムなどが含まれます。にも関わらず、これらの実験では、何の証拠も見つけることが出来なかったのです。そのかわり、科学者たちはダーク・マターが持っていないものをいくつも発見しました。これが、いずれ手掛かりになってくれれば良いのですが……。

鉱石を通じた調査方法

たとえば、マグマの結晶化から形成された緑色の鉱物のカンラン石や石膏、あと水の蒸発で出来た軟質な鉱石など、10億年前の古代の鉱物は暗黒物質の通過と相互作用した証拠を内包しているかもしれないので、調査範囲を拡張する新たな機会を与えてくれます。学術誌Physical Review Dに掲載された報告には、こうあります。

微弱に物質と相互作用する暗黒物質の粒子は、鉱物の原子の一部を突き動かし、10億年以上あとに岩石中に検出可能な長さ500ナノメートルの傷跡を残す

研究者たちはそうした鉱物を探し、最先端の顕微鏡を使って顕著な傷跡を分析するのです。

最新の検出器でほかの痕跡も探せるかも?

最新の論文は、物理学者ブフォード・プライスらによる35年前の研究に基づいており、彼のチームは最近の受動的検出の試み同様、4億6000万年前の雲母の中に存在するとされた単極磁石を探しました。

フリース教授と新しい論文の著者は、新しい技術が彼らの戦略をより成功させることを願っています。

いまはナノメートルの解像度を持つ検出器があるので、当時よりももっと多くの情報を得ることができます

ノイズ? 手がかり? 岩石は宇宙のタイムカプセル

より高い解像度は非常に重要です。なぜなら岩石は、放射性ウランの蓄積跡など暗黒物質の以外の痕跡も記録している可能性があり、たとえばウランからどれほどの放射線が出ていたかの手がかりになるわけです(暗黒物質を調べる上でノイズとなるため)。彼らは、地球のマントルや海水で形成された岩石を分析する際、ウラン濃度が低い、もしくは高レベルの水素を含んでいることを願っています。これは、中性子によって出来た痕跡を減らすから、なんですって。どこにいってもノイズとの戦いです。

論文によれば、この研究はまだ提案の段階であり、科学者たちが行なう鉱石検証での実現可能な研究を必要とします。しかしそれらは、地球に衝突する暗黒物質の量が時間の経過に伴い変化するのかどうかを明らかにし、たとえば、太陽と遥か遠くで起こった惑星爆発から発せられたニュートリノなど、暗黒物質以外の存在を検証することにも役立つかもしれない、とフリース教授は米Gizmodoに話してくれました。

いろいろと期待は高まりますが、もしかしたら何も検出されず、暗黒物質そのものについての認識が間違いだった……なんてことも有り得ます。何はともあれ、まずはカンラン石や石膏の採掘と収集からですね。

Source: Physical Review D, APS physics

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