暗黒物質探索実験で想定外の事象を観測 未発見の素粒子アクシオンの可能性も

XENON1T検出器(画像中央)。Credit: XENON collaboration

暗黒物質(ダークマター)を探索するXENON1T実験で得られた観測データに、予想外の過剰な事象が発見されたとの発表が、アメリカ、ヨーロッパ、日本を中心とした国際共同実験グループXENONコラボレーションからなされました。

XENON1T実験は、イタリアのグランサッソ国立研究所の地下で2016〜18年に行われた実験です。XENON1T検出器には3.2トンの超高純度液体キセノンが入れられており、そのうち2.0トンが暗黒物質のターゲットとして用いられました。暗黒物質や放射線などが液体キセノンと相互作用して発生するかすかな光信号や電子信号を光電子増倍管でとらえます。

ただ暗黒物質が液体キセノンと衝突する頻度は非常に小さく、観測される事象のほとんどは検出器中の放射性物質に由来します。実験データを、そのような既知の背景事象と比較したところ、予想されていたよりも多くの超過事象が観測されたのです。

その原因については、いくつかの可能性が考えられています。

1つは、これまで考えられていなかった新たな背景事象が存在する可能性です。水素の放射性同位体トリチウムは、観測された事象と同じようなエネルギーの電子を放出して崩壊します。1025(10,000,000,000,000,000,000,000,000)個のキセノン原子に対して、わずか数個のトリチウムがあれば説明できるとのことです。

2つ目は「アクシオン」という素粒子の可能性です。観測された超過分のエネルギースペクトルは、太陽で生成されるアクシオンから予想されるエネルギースペクトルと似ています。アクシオンは理論的に存在が予言されている未発見の素粒子で、太陽の内部で常に生成されている可能性があります。もし太陽アクシオンであれば新しい粒子が発見されたことになり、素粒子物理学だけでなく天体物理学的な現象にも大きく影響することになります。なお太陽アクシオン自体は暗黒物質の候補ではありませんが、宇宙初期に生成されたアクシオンが暗黒物質の源である可能性はあります。

3つ目は、ニュートリノによる可能性です。ニュートリノの磁気モーメントが予想よりも大きいと、この超過事象を説明することができるとのことです。

XENONコラボレーションでは現在、次期計画のXENONnT実験に向けて検出器をアップグレードしています。XENONnT検出機では、XENON1T検出器の約3倍の液体キセノンを使い、背景事象をより低減することができます。今回の事象超過が統計的な偶然なのか、考慮していなかった背景事象なのか、あるいは既知の物理学を超える新しい粒子や相互作用によるものなのか。2020年から始まるXENONnT実験によって、事象超過の原因が明らかにできると期待されています。

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