宇宙には幽霊が取り憑いている。このことは、天文学や宇宙論では何十年も前から知られていた。観測によれば、宇宙に存在する物質の約85％は神秘的で目に見えない。この2つの性質は、ダークマター（暗黒物質）という名前に反映されている。

ダークマターが何からできているのかを明らかにするために、いくつかの実験が行われてきたが、何十年にもわたり探求を続けてきたにもかかわらず、科学者たちはその謎を解き明かすことができなかった。今、アメリカのイェール大学で建設中の新しい実験が、新たな戦術を提示している。

ダークマターは太古の昔から宇宙に存在し、星や銀河を引き寄せてきた。目に見えず、微妙で、光や他のいかなる物質とも相互作用しないようだ。実際、ダークマターはまったく新しい物質なのだ。

素粒子物理学の標準模型は不完全であり、これは問題である。我々は新しい基本粒子を探さなければならない。意外なことに、標準模型の同じ欠点が、それらがどこに隠れているかという貴重なヒントを与えてくれる。

中性子の問題

中性子を例にとろう。中性子は陽子とともに原子核を構成している。全体としては中性であるにもかかわらず、理論的にはクォークと呼ばれる3つの電荷を帯びた構成粒子からできているとされている。このため、中性子のある部分はプラスに帯電し、他の部分はマイナスに帯電していると考えられる。これは、物理学者が電気双極子モーメントと呼ぶものを中性子が持っていることを意味する。

しかし、それを測定しようとする多くの試みは、小さすぎて検出できないという同じ結果に終わっている。小さすぎて検出できないのだ。測定器の不備の話ではなく、100億分の1より小さくなければならないパラメータなのだ。あまりに小さいので、もしかしたら完全にゼロになってしまうのでは？

しかし物理学では、数学的なゼロは常に強い主張である。70年代後半、素粒子物理学者のRoberto PecceiとHelen Quinn（後にFrank WilczekとSteven Weinberg）は、理論と証拠を両立させようとした。

彼らは、もしかしたらパラメータはゼロではないかもしれないと提案した。むしろそれは、ビッグバンの後、ゆっくりと電荷を失い、ゼロへと進化する力学的な量なのだ。理論的な計算によれば、もしそのような現象が起こったとすれば、それは多数の軽くて不気味な粒子を残したに違いない。

これらは中性子問題を「一掃」できることから、洗剤のブランド名にちなんで「アクシオン」と呼ばれるようになった。そしてさらに。もしアクシオンが宇宙初期に作られたのであれば、それ以来ずっとその辺をうろついていることになる。最も重要なことは、その性質がダークマターに期待されるすべての条件を満たしていることだ。このような理由から、アクシオンはダークマターの有力な候補粒子のひとつとなっている。

アクシオンは他の粒子とは弱い相互作用しかしない。しかし、それでも少しは相互作用するということだ。目に見えないアクシオンは、皮肉なことに、光の本質である光子を含む普通の粒子に変化する可能性さえある。これは、磁場が存在するような特殊な状況下で起こる可能性がある。これは実験物理学者にとっては天の恵みである。

実験デザイン

多くの実験が、実験室という制御された環境でアクシオン-ゴーストを呼び起こそうとしている。例えば、光をアクシオンに変換し、壁の向こう側でアクシオンを光に戻すことを目指すものもある。

現在のところ、最も感度の高いアプローチは、ハロスコープと呼ばれる装置を使って、銀河系（ひいては地球）に浸透しているダークマターのハローをターゲットにしている。強い磁場に浸された導電性の空洞で、前者が私たちを取り巻くダークマター（それがアクシオンであると仮定する）を捕らえ、後者が光への変換を誘導する。その結果、空洞の内部に電磁信号が現れ、アクシオンの質量に応じた特徴的な周波数で振動する。

このシステムは、受信ラジオのように機能する。興味のある周波数を傍受するためには、適切に調整する必要がある。実際、空洞の寸法は、異なる特性周波数に対応するように変更される。もしアクシオンと空洞の周波数が合わなければ、ラジオを間違ったチャンネルでチューニングしているのと同じである。

残念ながら、探しているチャンネルを事前に予測することはできない。可能性のある周波数をすべてスキャンするしかない。周波数ノブを回すたびに大きくなったり小さくなったりする古いラジオで、ホワイトノイズの海からラジオ局を選ぶようなものだ。

しかし、課題はそれだけではない。宇宙論は、数十ギガヘルツがアクシオン探索の最新かつ有望なフロンティアであると指摘している。周波数が高いほど小さなキャビティが必要になるため、その領域を探索するには、意味のある量の信号を捕らえるには小さすぎるキャビティが必要になる。

新しい実験では、別の道を見つけようとしている。我々のアクシオン縦型プラズマハロスコープ（アルファ）実験は、メタマテリアルに基づいた新しいコンセプトの空洞を使用している。

メタマテリアルは、構成要素とは異なるグローバルな特性を持つ複合材料であり、部分の総和以上のものである。導電性ロッドで満たされた空洞は、その体積をほとんど変えることなく、あたかも100万倍小さくなったかのような特性周波数を得る。これこそ私たちが必要としているものだ。加えて、ロッドには調整可能なチューニング・システムが組み込まれている。

現在、セットアップを構築中で、数年後にはデータを取れるようになる予定だ。この技術は有望だ。その開発は、固体物理学者、電気エンジニア、素粒子物理学者、さらには数学者の協力の賜物である。

捕らえどころがないにもかかわらず、アクシオンは、幽霊が決して奪うことのできない進歩を促している。

本記事は、Andrea Gallo Rosso氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Dark matter: our new experiment aims to turn the ghostly substance into actual light」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。