レーザーによる暗黒物質探索の国際研究が始動

広島大学らによるSAPPHIRES国際共同実験は,暗黒物質の源となり得るアクシオン等の未知素粒子を,2波長の光波から成る強力なレーザーを真空中で混ぜ合わせ,未知素粒子を介した散乱を誘導することにより,直接的にそれらを生成・崩壊させる探索実験を始動した(ニュースリリース)。

宇宙観測から重力の窓を通じて暗黒物質の存在は間接的に示されているが,直接的にその正体を暴くことは難しいとされる。

研究グループは,光子と光子を真空中で衝突させ,これら暗黒物質の有力な候補となるアクシオン的粒子を実験室で直接的に生成し,同時に2つの光子への崩壊を誘導して観測する手法を発案した。

探索原理の一例として,図のように真空中で緑のレーザービームを集光することを考える。すると,そのビーム内で起こる準平行光子-光子衝突において暗黒物質となり得る未知粒子の生成と崩壊を介した散乱が起こり得る。

この時,赤のレーザービームも同じ時空間中であらかじめ混合しておくと,長寿命の暗黒物質の光への崩壊を誘導できる。赤いレーザー光で誘導する場合,エネルギー・運動量保存の関係から青い光を信号として利用できる。

この探索では,真空容器内に残余する原子が最大の背景事象を作るため,真空容器内圧力を徐々に下げながら,信号光の有無を検証した。その結果,大気圧の10万分の1以下で残余原子からの寄与が消え失せ,それよりも更に低い圧力では,信号光が見えない観測結果を得た。この観測結果から,未知粒子の2光子への結合定数と未知粒子質量に対する棄却領域を提示することが可能となった。

この研究は,世界最高強度級のレーザーを有する欧州連合内ルーマニアに建設されたExtreme-Light-Infrastructure原子核部門(ELI-NP)を拠点とする研究者らとの国際共同研究であり,この論文にある京都大学化学研究所(ICR)内のレーザーを用いた予備的探索の経験を基に,設計・製作されたELI-NPにおける探索系への拡張可能性を示したもの。

イタリアで公表された,アクシオン的粒子が太陽から飛来している可能性を示す兆候から推定されるアクシオン質量が0.1電子ボルトから数十電子ボルト付近であるため,同程度の光子エネルギーを有するレーザービームで探索するのが理にかなっている。

この研究のように実験室で直接アクシオンを光から作り出して壊す以上に明瞭に正体を暴ける方法は他にはないとする。この手法は,レーザー光の高強度化により飛躍的に感度が向上するとされ,暗黒物質の部分的解明は,それほど遠くないかもしれないとしている。

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