放射線塾

ダークマターとは何か

森山茂栄

Moriyama Shigetaka

1．ダークマターの由来とその性質ダークマターの正体を解明する研究を説明す

宇宙に興味がある方ならば，ダークマターとる前に，物質とは何か，ダークマターは原子やいう言葉を耳にされたことがあるでしょう。あ分子とはどこが違うのかを一度振り返ってみま＊1

わせてダークエネルギー

しょう。図 1 に，現在私たちが知っている全てという言葉もご存知かもしれません。西暦 2000 年前後に打ち上げの粒子を示しています。大きく分類すると，られた人工衛星を使って，宇宙が始まった時に（1）物質の基となる粒子，（2）力を媒介する粒放出された電波の詳しい観測結果が発表された

子，（3）粒子に質量を与えるヒッグス粒子，に頃から特にこれらの言葉が有名になったように分けられます。物質とはこの（1）に当たりま思います。これら宇宙初期の研究は，1930 年すが，ダークマターはこれらと決定的に違う点代から宇宙のあちこちで見られていた，“見えがあります。それは電気を帯びていないことないけど何かある”現象の正体を解明することと，十分な重さを持つことです。もしダークマに大きな一歩を与えました。得られたデータのターが電気を帯びていると光や電波で観測でき解析により，宇宙の物質やエネルギーの総和のてしまい，観測事実に反するため，ダークマタ68％はダークエネルギーと呼ばれる宇宙の膨張ーは電気を帯びていないと考えられます。2 つを加速する不思議なエネルギー，27％はダーク

目はダークマターは重くないといけないことでマターと呼ばれる私たちが知らない物質，最後す。これは宇宙の歴史を考えたとき，ダークマの 5％だけが私たちがよく知っている原子や分ターが軽すぎると物質の凝縮を阻害し宇宙の成子などであることが分かりました。子供の頃か長が遅れ，観測事実に反するからです。例えば

ら習ってきた“私たちの周りの物質は原子や分（1）の中で電気を帯びていない粒子はニュート子でできています”との説明には，大きな見落リノですが，ダークマターになるには軽すぎるとしがあったことがはっきりしたのです！のです。更に考えると，条件がもう 1 つあります。それは，壊れる性質があるとしても宇宙の年齢くらいの寿命があることが挙げられます。

＊1

 ークエネルギーについては分かっていないことがダ多いのですが，極めて興味深い研究が進んでいます。
これから 10 年程度かけてダークエネルギーの検証が進んでいくと期待されています。興味のある方は是非参考文献 1）をご覧ください。

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宇宙の初期に作られたとしても，今壊れてしまってなくなってしまったのでは，ダークマターとして役割を果たせないからです。（2）や（3）のうち質量のない光以外はすぐに壊れるので，2015 年 1 月号

No.729う。ほかにもアクシオンと呼ばれる粒子も考えられています。これは陽子や中性子を結び付ける力に関連するある値を測定すると，理論的には1 くらいの量があっても良さそうなのに，実験結果は 10−10 以下となっている不自然さと関係しています。
アクシオンはこの不自然な状況をうまく説明してくれる“理屈”に関係しています。これらの例は“動機が図1

強い”ダークマターの候補として有私たちの知っている素粒子たち名です。ここではニュートラリーノダークマターにはなり得ません。

を例にとってその性質を明らかにする実験を紹

さて，ダークマターと名前が付いていて，さ介してみます。

も分かったかのように説明をしてきていますが，正直に告白するとその正体は上の性質以上

2．ダークマターの探索実験とその現状のことは分かっていません。これはとりわけ，ニュートラリーノの研究も，普通の物質ででダークマターが存在すると証拠づけるデータのきた実験装置を使って行うしかありません。も全てが，重力の働きによって引き起こされる現しダークマターが普通の物質にぶつかる現象が象を基にしているためで，重さがあること以上あればそれを利用できます。ニュートラリーノの性質を教えてくれないからです。それではダは普通の物質とぶつかり合う性質があり，図 2ークマターの正体が皆目見当がつかないかといはそれを示しています。ぶつかり合うさまは上うと実はそうではありません。素粒子の研究者から下に見た時の現象ですが，ほかにも左からは，素粒子の理論を深く考えるとうまく説明で右，右から左に見ることもできます。それぞれきないところがあることを知っていて，それをの見方によって 3 つの測定方法が考えられてい解決する“理屈”を考え出すのが得意です。そます。（1）身の回りに飛び交っているダークマしてそれらの“理屈”が正しければ，これまでターが原子や分子に衝突するところを観察する

未発見の素粒子の存在を予言する場合が多いのこと，（2）2 つのダークマターが出会い頭に消です。もしその素粒子がダークマターだとした滅して，光やその他の粒子になるところを観察らどうでしょう。一石二鳥，エコノミカルな解すること，（3）加速器を使ってダークマターの決方法なわけで，できるだけ単純な理屈を好む候補を製造すること，です。これらを通じて，研究者が大好きな考え方なのです。

ダークマターの質量や空間的性質，その他どのその 1 つの未発見の素粒子がニュートラリーような物質とどのようにぶつかるかを測定できノと呼ばれる超対称性理論が予言する粒子でるので，ダークマターのより詳しい性質を明らす。超対称性は，ヒッグス粒子が安定であるこかにできると考えるわけです。それでは，このとを説明できることや，素粒子の世界をより統3 つを順次説明していきます。

一的に理解させてくれる極めて興味ある理論で（1）直接探索と呼ばれているもので，現在最す。もしニュートラリーノがダークマターだっも進んでいます。図 2 に示したダークマターがたら，素粒子物理学の研究者は世の中が簡潔に物質を跳ね飛ばすさまを詳しく計算すると，原成り立っていることを発見して大喜びでしょ

子番号の大きな原子核を跳ね飛ばす確率が大きIsotope News2015 年 1 月号

No.72943図2

暗黒物質の様々な探索法
上から下に見ると，ダークマター粒子が私たちの知っている粒子を跳ね飛ばすように見える（直接検出）。
左から右に見るとダークマター粒子が衝突して消滅し，私たちの知っている粒子に変換される（間接検出）。逆に右から左に読むと加速器でダークマター粒子を作るように見える。灰色の部分では様々な相互作用があり得る

図3

直接探索の現状
左上の塗りつぶされた領域はダークマターらしき信号を見付けたグループの主張する領域。実線は信号が見付からず，その上の領域を否定しているもの。両者は矛盾しているように見える。右下の黄色の領域は最も簡単な超対称性（SUSY MSSM）理論の予言する領域。点線は，今後の計画の感度を示す。真の発見を期待したい 2）

いことが分かっています。ニュートラリーノの質量は，陽子の 100 倍か，もっと重いと思われる傾向があるため，原子核を跳ね飛ばす効率が高いのです。原子核の候補としては実験的に有利な Xe や Ge 等が選ばれてきています。Xe の場合，−100℃にすると液体になるので，その状態で利用されます。ダークマターが Xe 原子しないデータが含まれたため，それらをダーク核を跳ね飛ばすと，光が出るとともに，イオンマターに由来するものと考え，ダークマターのや電子が生じます。そこに電場を掛けておく質量や断面積を求めたものです。これだけ見ると，イオンや電子の電荷信号も読み出すことがと，ダークマターが見付かったのかと思いたいできます。この光と電荷の信号を利用すると，のですが，一方で何本か曲線も描かれていまありふれたノイズ源である電子を跳ね飛ばす事す。これらは別の実験ではダークマターの信号象を排除して原子核を跳ね飛ばした事象だけをが見付からなかったため，その線より上の領域選ぶことができ，高感度の実験ができます。の可能性を否定したことを意味します。左上の図 3 に，現在までに行われた直接探索による制塗りつぶされた領域はこれらの実験により否定限曲線群を示します。横軸はダークマターの未されてしまっているので，誰もが認めるダーク知の質量で，縦軸はダークマターと核子（陽子マターの存在の証拠はありません。なお，実験や中性子）を跳ね飛ばす断面積を表します（実験の感度は線が下にあればあるほど高く，現在には様々な原子核が用いられますので，比較がLUX 実験が最も感度が高いことを意味していしやすいように核子との断面積に変換して描かます。これを見るだけでも世界中の研究者がダれています）。ダークマターの性質は分かってークマターの発見について非常にホットな戦いいませんが，この 2 次元平面上のどこかの点がをしていることが分かります。なお，黄色で塗答えだと考えます。まず，左上の塗りつぶされりつぶした領域は，ダークマターがニュートラた幾つかの領域を見てください。これは幾つかリーノだとした場合にあり得る領域を示しておの実験のデータに，ダークマターの信号と矛盾り，将来実験の感度を徹底的に上げてこの部分

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を調査していくのが世界中の研究者が望んでいと，検出器に捉えられないため特徴的なパターることです。この方法が打ち勝つべきものは，ンが見付かるはずです。これまでの探索では証

Xe 等ダークマターのぶつかる物質の量を増や拠は得られていませんが，2015 年からエネルすことと，ダークマターの信号と間違う可能性ギーを上げて更に高感度の探索が行われます。のあるバックグラウンド事象を減らすこと，そ素粒子の研究者はいよいよ超対称性理論の信号して得られた信号がダークマター由来であるこが得られると期待しています。加速器で発見さとをいかに証明するかに掛かっています。点線れた新粒子が本当に宇宙にあふれるダークマタで書かれたものは将来の実験計画の感度を示しーであるかどうかは直接探索や間接探索との両ており，将来の LZ 実験や，筆者の参加してい輪で進める必要がある一方，加速器では細かいる XMASS＊2 実験もこれらの領域に深く踏み込研究ができます。こうなれば一気にダークマタみ，発見を狙う計画を持っています。

ーの理解が進むと期待されています。

（2）2 つ目は，間接検出と呼ばれる方法です。
これは，図 2 を左から右に見た時に，ダークマ3．ダークマター探索のこれからターの 2 つの粒子が出会い頭に普通の粒子に変さて，ざっとダークマターの候補とその研究換されてしまうことを利用します。例えば変換後に g 線が 2 つ発生するとしたら，宇宙のあちについて述べてきましたが，近年少し違った候こちからダークマター由来の g 線が観測されることになります。このような g 線に限らず，陽す。それは，原子核を跳ね飛ばす現象をこれだ

電子や反粒子を探す実験も多数行われていま見されないこと，LHC での探索で超対称性のす。現在までのところダークマター由来である兆候が見えないこと等に影響されています。本と確信が持てる信号は得られてきていません。

当に陽子の 100 倍やそれ以上といった重いニュ間接検出の手法では，ほかの理由（例えば星のートラリーノを中心に探索するばかりでよいの効果等）によってダークマターの信号のようなか？

信号があり得ると，ダークマターの証拠としてべきではないか？

利用することができません。しかし，g 線やニえられているものの 1 つは，“軽い”ダークマュートリノ等の観測で特徴的なエネルギー（ダターと呼ばれるものです。図 3 で左上に幾つかークマターの質量に相当する）を持つ信号が多ダークマターの存在を示唆するデータがあった数得られる等，ほかには説明のできない現象がこともその興味を加速しました。“軽い”ダー

観測されれば確実な証拠として認識される可能性があります。CTA 実験計画等，大型の g 線クマターは検出器に付与するエネルギーが小さ望遠鏡の建設に期待が集まっています。

近年，工夫を行うことにより陽子の何倍か程度（3）最後は加速器を用いた研究です。これはの軽いダークマターに感度があるようになって

図 2 を右から左に読む，つまりダークマターをきています。ほかに気になる点は，これまでの製造する野心的なアプローチです。ヨーロッパ

ダークマター探索の高感度化は主として原子核で行われている LHC 実験では，既に探索が行を跳ね飛ばす信号だけに感度があるように工夫われています。ニュートラリーノが作られるされてきた点です。もしダークマターが原子核補を考えようという考えも生まれてきていまけ探索しているのに誰もが認める信号はまだ発もっと広い種類のダークマターを探索すとの考え方です。そこで考いため，これまで探索が難しかったものです。

だけでなく，電子を跳ね飛ばすような性質があ＊2 MASS 実験は約 1 t の液体 Xe（約−100℃）を用いXてダークマターを直接探索することを目的としている実験。

Isotope Newsるものだとすると，すっかり信号を見落としていたのかもしれません。
実は筆者が関わっている XMASS 実験の検出2015 年 1 月号

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器 は， こ の 視 点 に ぴ っ た り 合 う も の で す。
XMASS 実験も前出のように液体 Xe を用いていますが，電荷の信号を用いて電子を跳ね飛ばす信号を排除して原子核を跳ね飛ばす事象だけを選ぶことをしません。これは検出器の“ノイズ”となる現象を減らしづらい弱点でもありますが，逆に電子を跳ね飛ばす信号も含めて高感度で捉えることができる強みでもあります。例
えば最近行った研究では，極めて弱く相互作用する質量を持ったボゾン型の素粒子がダークマターの可能性があるかどうかを検証しました。
ボゾン型であることは，ダークマターの質量がエネルギーに転化し，明白な信号としてキャッ図4チできることを意味します。XMASS 実験装置

XMASS 実験による電子と相互作用するダークマター候補の探索結果
上は擬スカラー，下はベクトル粒子の探索結果。下の図に示した黒線はベクトル粒子がダークマターとなり得る条件を示している。XMASS 実験の結果はその興味ある領域の検証に世界で最初に成功した。本文参照 3）

は，世界一大量の液体 Xe を用いていながら，電子事象を含めたバックグラウンドが世界一低いのが強みです。169 日分の観測データを詳しく調べたところ，残念ながら信号は見当たりませんでした。探索結果は図 4 にまとめられています。図が 2 つありますが，上はダークマターれていません。本当に超対称性理論の予言するが擬スカラーである場合で，下がベクトル粒子ニュートラリーノかもしれませんし，全く違うである場合です。横軸がダークマターの質量，性質を持つ粒子なのかもしれません。どういっ縦軸は吸収のされやすさと考えてください。特た粒子なのか，研究者は様々な考えを持って探にベクトル粒子である場合は，黒実線の上に本索しています。ただし，実験的な探索の感度は当の答えがあれば，観測されているダークマタ

この 10 年で何桁も向上しており，近々発見さーの量をちょうどぴったり予言することが期待れるのではないかと期待されています。最大のされています。太い実線は筆者らの探索結果を宇宙を研究することによって，最小の素粒子物表しており，この線より上の領域には本当の答理学の研究が進むなんて，面白いですね。今後えはないことを意味します。つまり，探索されもダークマターの探索に注目してください。

た質量範囲においてはこのベクトル粒子で全て参考文献のダークマターを説明することができないこと

1）松原隆彦, RADIOISOTOPES, 63, 201─213（2014）
2）Akerib, D.S., et al., Physical Review Letters, 112,
, and references are therein.
091303（2014）3）Abe, K., et al., Physical Review Letters, 113,121301（2014）を証明したのです。これは大きな成果として認められ，アメリカの物理学会誌 Physical Review
Letters に記載され，面白くたくさんの人に読んでもらいたい論文（Editors Suggestion）として選抜されました 3）。
このようにダークマターの正体はまだ解明さ

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（東京大学 宇宙線研究所）

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