新理論が示す、ダークマターは湯川粒子に瓜二つ

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従来のダークマターに関する理論とは大きく考え方の異なる新理論が発表された。それによるとダークマターは、湯川秀樹博士が提唱し「湯川粒子」とも呼ばれるパイ中間子ととてもよく似た性質を持つことが示された。

【2015年7月30日 カブリIPMU

様々な観測結果から、宇宙はダークマター(暗黒物質)と呼ばれる謎の物質が質量の80%以上を占めていること、そしてダークマターなくては星や銀河、私たちそのものも誕生しなかったことがわかっている。しかし、ダークマターがどのような性質を持つどういった物質なのかということは未だわかっておらず、現在、実験と理論の両面から活発に研究が行われている。

理論研究ではダークマターについて多種多様な予想がされており、ダークマターは通常の物質とは大きく異なる性質を持つ粒子だと多くの理論で考えられている。

東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の村山斉さんらの研究グループはダークマターの候補として、パイ中間子と似た性質を持つ「SIMP(Strongly Interacting Massive Particle)」という粒子であるという新理論を発表した。

パイ中間子とSIMPの構造
図左のパイ中間子 (湯川粒子) に含まれる「u」 はアップクォーク、その下は反ダウンクォーク、右はグルーオンという素粒子を示す。アップクォークと反ダウンクォークはグルーオンをやりとりすることで、強い力で結びついている。一方、図右のSIMP粒子に含まれる「Q」はクォーク、下は反クォーク、右はグルーオンに相当する粒子を示す(提供:Kavli IPMU)

パイ中間子は湯川秀樹博士(1949年ノーベル物理学賞受賞)が1935年に提唱した粒子で「湯川粒子」とも呼ばれる。陽子や中性子など原子核を形作る核子間で力を媒介し原子核を安定的に保つとされ、その性質は南部陽一郎博士(2008年ノーベル物理学賞受賞)が1960年に提唱した「自発的対称性の破れ」という考え方で正確に記述されている。今回の新理論は、南部理論に基づく湯川粒子の性質がダークマターとしてふさわしいことを指摘したものだ。

従来のダークマターの性質とSIMPの性質の違い
今までの理論では、ダークマター同士は互いをすり抜け反応しないと考えられていた。図下のSIMP粒子は、パイ中間子が相互作用するのと同種の強い相互作用をする(提供:Kavli IPMU)

新理論では銀河の構造について、今まで問題だった観測とコンピュータシミュレーションの間のずれを説明できるという。

ダークマターの候補を変えたシミュレーション
ダークマターをSIMPとしない場合は、ダークマターが銀河の中心部の狭い範囲に極端に集中し、外側では少ない (図左) 。ダークマターをSIMPとした場合には銀河の中心部から外側にかけてダークマターがなだらかに分布する (図右) 。この場合のダークマターの分布は観測事実とよく合う(提供:Kavli IPMU、オリジナル画像提供:NASA, STScI)

「ダークマターの候補であるSIMPは、見たことのある粒子とよく似ていることに気づきました。強い力に現れる湯川粒子と同じような質量、同じような反応、そして同じような理論で記述できるのです。こうした研究から『我々はどこから来たのか』という深い謎に迫れるのは、たいへんエキサイティングです」(村山さん)。

現在、世界中でダークマターを探し出すための様々な実験が行われている。さらに、今年より再稼働を始めた欧州合同原子核研究機構(CERN)のLHC加速器や現在提案中のSHiP実験、日本の高エネルギー加速器研究機構(KEK)で準備が進められていSuperKEKBプロジェクトなどでもダークマターの候補の探索が行われる予定だ。こうした世界中の実験によりダークマターが発見され、数ある理論が確かめられることが期待されている。