宇宙の85%を占めるとされるダークマターについて、新しい視点から検証する内容である。従来、ダークマターは未知の新粒子や新たな力、あるいは平行宇宙のような謎めいた存在と考えられてきた。しかし、1984年にエド・ウィッテンが提唱した「クォークの大きな塊」という40年前のアイデアが再注目されている。通常の物質を構成するアップクォークとダウンクォークに、より重いストレンジクォークを加えることで、エネルギー的に安定した「ストレンジレット」と呼ばれる電気的に中性で光と相互作用しない物質が形成される可能性がある。これらは初期宇宙で生成され、極めて重く、暗く、安定しているため、ダークマターの候補となり得る。近年の研究では、初期宇宙のクォーク・グルーオン・プラズマにおける相転移の理解が深まり、さらにカラー超伝導の発見により、ストレンジレットの安定性が向上することが明らかになった。この理論が正しければ、宇宙最大の謎の一つは新粒子の不在ではなく、むしろ既存のアイデアへの注目不足だったことになる。
ダークマターの謎と新たな視点
ダークマターは宇宙に存在する物質の85%を構成していると考えられています。天体物理学者たちは、これが何か神秘的なもので、私たちの周りで見る物質とは大きく異なり、おそらく何らかの新しい粒子、新しい力、あるいは平行宇宙のようなものだと主張しています。冗談であってほしいのですが、そうではありません。
新しい論文が今、ダークマターは単に…普通の物質かもしれないと主張しています。さらに屈辱的なことに、このアイデアは新しいものでさえなく、40年前から存在していたのです。ただ、誰もあまり注目してこなかっただけなのです。これは本当に注目に値します。見ていきましょう。
ダークマターが普通の物質ではない理由
天体物理学者たちは、ダークマターが単なる普通の物質ではあり得ないことを示す多くの観測結果を持っています。少なくとも、そう考えていました。最も重要な手がかりは、それが暗いということです。
より正確に言えば、電磁放射とは全く相互作用しないのです。可視光の部分でも、電波でも相互作用しません。これによって、私たちの周りにあるほとんどの粒子が直ちに除外されます。なぜなら、電荷を持つものはすべて電磁放射と相互作用するからです。
標準模型に残る唯一の粒子はヒッグス粒子とZ粒子ですが、これらは非常に不安定です。そしてニュートリノは、適切な構造を形成するには十分な重さがありません。物理学者たちは何十年もこれらの問題について議論してきましたが、常に次の結論に至っています。それは新しい粒子でなければならない、と。できれば、資金提案書で見栄えの良い魅力的な名前を持つものが望ましいのです。
エド・ウィッテンの先見的なアイデア
しかし今、物理学者たちは1984年にエド・ウィッテンに遡るアイデアを再検討しています。彼は、陽子や中性子を構成する粒子であるクォークが、より大きな集合体を形成できる可能性があると提案しました。これらの集合体は安定していて、電気的に中性であるため、光とは相互作用しないでしょう。
暗いのです。完璧です。これらの物体は「クォーク・ナゲット」と呼ばれることもあります。通常の物質は、最も質量の小さい2つのクォークであるアップクォークとダウンクォークで構成されています。しかしウィッテンは、アップクォークとダウンクォークがたくさんあると、これがエネルギー的に最良の状態ではないことに気づきました。
次に重い、ストレンジクォークを加えることで、よりエネルギー的に有利な状態が得られます。そしてこの組み合わせは、クォークの塊が十分に大きければエネルギー的により有利であるため、崩壊しません。安定しているのです。これは「ストレンジレット」と呼ばれる特定のタイプのクォーク・ナゲットです。ストレンジレットのサイズは、これが機能するために重要です。
ストレンジレットの特性と初期の懸念
ストレンジクォークを含む小さなクォークの組み合わせは不安定です。これは私たちが粒子加速器でそれらを作ることができるので分かっています。しかし、ウィッテンの計算が正しければ(そして誰が本当にウィッテンの計算に疑問を持ちたいでしょうか)、大きな塊は安定しているはずです。私たちは粒子加速器でこれらの大きなストレンジレットを生成することはできません。衝突に十分なクォークが存在しないのです。しかし、初期宇宙で生成された可能性があります。
そして安定しているため、そこに留まり続けるでしょう。暗く、重いまま。実際、微小なストレンジレットでさえ途方もなく重いのです。もし半径約10マイクロメートルの、小さな塵の粒程度のサイズのストレンジレットがあれば、約1トンの重さになります。はい、正しく聞こえましたよ。半径1センチメートルなら、約10億トンの重さになります。
山の重さを持つ可能性のあるものに「クォーク・ナゲット」というのは、認めざるを得ませんが愛らしい名前です。このアイデアは当初、ある程度の興奮を引き起こし、その後パニックを引き起こしました。ストレンジクォークを含むクォーク物質は、私たちを構成する物質よりもエネルギー的に有利なため、物理学者たちは、もし粒子加速器で安定したストレンジレットを1つでも作ることができれば、それが私たちの通常の核物質すべてをストレンジ物質に変換し始め、地球全体を飲み込む可能性があることを恐れたのです。
これは、SF小説「アイス・ナイン」に登場する化学的多形体の問題と似ていたでしょう。これらの懸念は根拠のないものであることが判明しました。なぜなら、私たちは加速器でそのような物質を生成できないからです。たとえストレンジ物質の一部が宇宙から来たとしても、通常の物質を変換することはできません。なぜなら、これは極めて高い密度でのみ機能するからです。
ストレンジレット理論の衰退と復活
ストレンジレットがダークマターを構成するというアイデアは忘れ去られました。なぜなら、それは初期宇宙に関する特定の前提に基づいており、その前提が誤りであることが判明したからです。初期宇宙には、クォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれるクォークとグルーオンのスープがあります。
プラズマは冷却され、ある時点で中性子や陽子のようなより小さな塊に凝集し始めます。これは相転移であり、水蒸気が小さな水滴に凝縮するのと非常によく似ています。実際、1980年代には、物理学者たちはクォーク・グルーオン・プラズマの相転移が水のそれと似ていると考えていました。これは一次相転移と呼ばれるものです。
そのような転移では、ストレンジレットの大きな「液滴」を得ることができ、それがダークマターとして沈殿し続けます。しかし、その後明らかになったのは、クォーク・グルーオン・プラズマの相転移は単に一次ではないということでした。代わりに、かなり穏やかなクロスオーバーなのです。そして、これはストレンジレットを作る泡を生成しません。
しかし今、物理学者たちは2つの理由でこの問題を再検討しています。1つ目は、一次相転移が機能する可能性はあるものの、必要ではないことを発見したことです。泡がなくても、プラズマには強い相関関係があり、大きなクラスターの形成を可能にすることができます。
2つ目の理由は、物理学者たちがクォーク物質が電荷ではなくカラー荷を伝導する特定のタイプの超伝導を発達させる可能性があることを発見したことです。これはカラー超伝導と呼ばれ、クォーク物質の安定性を高めます。これらすべてを考慮すると、ストレンジレットが初期宇宙で形成される可能性があることが分かります。理論的には、ナノグラムから小惑星スケールまで、あらゆる重さを持つ可能性があります。
他のタイプのクォーク・ナゲット
物理学者たちが今再検討しているクォーク・ナゲットには、ストレンジレット以外にも他のタイプがあります。2番目に人気があるのは、アクシオンによって安定化されたものです。これらのアクシオンは、多くの物理学者が存在すると信じている仮説上の粒子です。アクシオンだけでダークマターを作るのはかなり困難です。しかし、アクシオンとクォーク物質を組み合わせると、結果は素晴らしいものになります。
クォーク・ナゲットには特定の実験的な特徴があります。最も明白なのは、もしそれらが私たちの惑星、あるいは月に衝突したら、小さなトンネルのような痕跡を残すだろうということです。もし恒星や白色矮星に衝突したら、核物質を変換する可能性もあり、異様にコンパクトな星や奇妙なスペクトルを持つ白色矮星を残すでしょう。
しかし基本的に、その特徴は微妙で見つけるのが難しいのです。これは私たちの観測結果にあまりにもよく適合していますね。もしこのアイデアが正しければ、宇宙論における最大の問題は物質の不足ではありませんでした。それは注目の不足だったのです。
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