とらえどころのないニュートリノが暗黒物質の謎を解く鍵を握る可能性がある

自然の基本構造を理解しようとする物理学者は、私たちが見ているものを説明しようとすると同時に、テスト可能な予測を立てようとする枠組みに依存しています。素粒子の最小スケールでは、素粒子物理学の標準モデルがこの理解の基礎を提供します。

宇宙規模に関しては、私たちの理解の多くは「宇宙論の標準モデル」に基づいています。アインシュタインの一般相対性理論に基づいて、宇宙の質量とエネルギーの大部分は、暗黒物質（宇宙の物質の 80% を占める）と暗黒エネルギーとして知られる神秘的な目に見えない物質で構成されていると仮定しています。

過去数十年にわたって、このモデルは宇宙の幅広い観測を説明することに目覚ましい成功を収めてきました。しかし、暗黒物質の構成要素はまだわかっていません。暗黒物質が銀河団やその他の構造に及ぼす重力のおかげで存在することだけがわかっています。多くの粒子が候補として提案されていますが、どの 1 つまたは複数の粒子が暗黒物質を構成しているのかを確実に言うことはできません。

現在、ニュートリノと呼ばれる非常に軽い粒子が暗黒物質の一部を構成している可能性が高いことを示唆する新しい研究が、その組成に関する現在の理解に疑問を投げかけています。

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標準モデルでは、暗黒物質は「冷たい」と考えられています。つまり、最初は動きが鈍かった比較的重い粒子で構成されています。その結果、隣接する粒子が集まり、重力によって束縛された物体を形成することが非常に容易になります。したがって、このモデルは、宇宙は小さな暗黒物質の「ハロー」で満たされ、そのうちのいくつかは合体して、徐々により巨大なシステムを形成し、宇宙が「でこぼこ」になると予測しています。

しかし、少なくとも一部の暗黒物質が「熱い」ということは不可能ではありません。これは、非常に高い速度を持つ比較的軽い粒子で構成されていると考えられます。つまり、粒子は銀河などの密集した領域から簡単に脱出できる可能性があります。これにより、新しい物質の蓄積が遅くなり、構造の形成が抑制された（塊状の少ない）宇宙がもたらされるでしょう。

極めて高速で飛び回るニュートリノは、高温の暗黒物質の有力な候補です。特に、光を放出または吸収しないため、「暗く」見えます。 3 つの異なる種があるニュートリノには質量がないと長い間考えられていました。しかし、実験により、それらはある種から別の種に変化（振動）する可能性があることが実証されました。重要なことに、科学者たちは、この変化には質量が必要であることを示しており、それらが高温暗黒物質の正当な候補となっています。

しかし、過去数十年にわたって、素粒子物理学の実験とさまざまな天体物理学の議論の両方が、ニュートリノが宇宙の暗黒物質の大部分を構成しているという可能性を排除してきました。さらに、標準モデルでは、ニュートリノ (および一般に高温の暗黒物質) の質量が非常に小さいため、暗黒物質への寄与は完全に無視できる (ほとんどの場合 0% と想定されます) と想定されています。そして、つい最近まで、このモデルはさまざまな宇宙論的観測を非常によく再現してきました。

過去数年間で、宇宙論的観測の量と質は大幅に向上しました。その最も顕著な例の1つは、「重力レンズ観測」の出現です。一般相対性理論は、物質が時空を湾曲させているため、遠くの銀河からの光が私たちと銀河の間にある巨大な物体によって偏向される可能性があることを教えてくれます。天文学者は、そのようなたわみを測定して、宇宙時間にわたる宇宙の構造の成長 (「塊状」) を推定できます。

これらの新しいデータセットは、標準モデルの予測を詳細にテストするための多くの方法を宇宙学者に提示しました。これらの比較から見え始めている全体像は、暗黒物質が完全に冷たい場合、宇宙の質量分布は本来よりも塊状になっていないように見えるということです。

ただし、標準モデルと新しいデータセットを比較することは、最初に考えたほど簡単ではない可能性があります。特に研究者らは、宇宙の見かけの塊状性は暗黒物質だけでなく、通常の物質（陽子や中性子）に影響を与える複雑なプロセスによっても影響を受けていることを示しました。これまでの比較では、重力と圧力の両方を「感じる」通常の物質は、重力のみを感じる暗黒物質のように分布していると想定されていました。

現在、この新しい研究により、通常物質と暗黒物質に関するこれまでで最大の宇宙論的コンピューター シミュレーション (BAHAMAS と呼ばれる) が生み出されました。また、最近の幅広い観測結果と注意深く比較し、新しい観測データセットと標準的な冷暗黒物質モデルとの間の乖離は、以前に主張されていたよりもさらに大きいと結論付けた。

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研究チームはニュートリノの影響とその動きを詳細に調べた。予想通り、ニュートリノをモデルに含めると、宇宙の構造形成が洗い流され、宇宙の塊が少なくなりました。この結果は、ニュートリノが暗黒物質の総質量の 3% から 5% を占めることを示唆しています。これは、新しい重力レンズ測定を含む、さまざまな観測を一貫して再現するのに十分です。暗黒物質の大部分が「熱い」場合、宇宙の構造の成長が抑制されすぎます。

この研究は、物理学者が個々のニュートリノの質量が何であるかという謎を解くのにも役立つかもしれない。素粒子物理学者は、さまざまな実験から、3 つのニュートリノ種の合計が少なくとも 0.06 電子ボルト (ジュールに似たエネルギーの単位) になるはずであると計算しました。これを暗黒物質に対するニュートリノの総寄与量の推定値に変換すると、0.5% となります。研究チームが実際にはこれより6～10倍大きいことを発見したことを考えると、ニュートリノの質量は代わりに約0.3～0.5 eVであるべきであると推測できます。

これは、今後の素粒子物理学実験で実際に測定できる値に興味深いほど近いものです。これらの測定結果がシミュレーションで見つかった質量を裏付けるものであれば、これは非常に安心できることになります。最大の宇宙論的スケールから最も小さな素粒子物理学の領域に至るまで、暗黒物質としてのニュートリノの役割について一貫した全体像が得られることになります。

イアン G. マッカーシーは、リバプール ジョン ムーア大学の天体物理学の読者です。この記事はもともと The Conversation に掲載されたものです。