Did LZ see modified gravity?

地表の宇宙的なノイズから遮断された地球の深部には、液体のキセノンを満たした巨大なタンクが鎮座している。これは、宇宙の質量の大部分を占める目に見えない物質であるダークマターの、かすかな囁きを捉えるために設計された装置、LUX-ZEPLIN実験である。何年もの間、科学者たちは、ダークマターの粒子がキセノンの原子に衝突し、小さな光の閃光とエネルギーの波紋を生み出す瞬間を待ち続けてきた。最近、この実験は一つの異常なイベントを報告した。タンク内の重い原子核が248 keVのエネルギーで反跳したのである。このエネルギーは、単一の衝突に対して標準的なダークマター理論が予測するものの多くよりもはるかに高く、一つの謎を生み出している。もしこのイベントが間違いや背景ノイズではなく実在するものであるならば、それは、私たちの周囲にある目に見えない物質が、まだ想像もしていない方法で、おそらくは通常の物質と予想以上に強く、あるいは異なる形で相互作用していることを示唆している。

バサベンドゥ・バーマンという研究者は、これらの目に見えない粒子の振る舞いを、宇宙がどのように膨張してきたかという歴史そのものに結びつけることで、この謎を解く新しい方法を提案している。宇宙の標準的な物語では、ビッグバンの後、宇宙は予測可能なリズムで冷却され、それによってダークマターが形成され、今日見られる量へと落ち着いたとされる。しかし、バーマンは、宇宙の極めて初期の瞬間、最初の原子核が形成される前に、空間の膨張がこの標準的な物語が許容するよりもずっと速かった可能性があると示唆している。修正重力理論に根ざしたこのアイデアは、ゲームのルールを変えるものである。もし宇宙がより急速に膨張していたならば、ダークマター粒子が熱い他の粒子との相互作用を行うことはより困難になったはずであり、そのため、それらが生成されるためには、より強い結合を必要としたはずである。

この論文は、「フィーブル・インタラクティング・マッシブ・パーティクル（FIMPs：微弱に相互作用する大質量粒子）」と呼ばれる特定の種類のダークマターについて探究している。通常の視点では、これらの粒子は非常に内気で、ほとんど何も触れることがないため、検出がほぼ不可能である。この「内気さ」は、先ほどのキセノンタンクにおけるイベントを説明する上での問題となる。なぜなら、もし粒子があまりに内気すぎれば、キセノンを強く叩いて248 keVの信号を作り出すことはできないはずだからである。バーマンの研究は、もし初期宇宙が私たちが考えているよりも速く膨張していたならば、この粒子が現在の観測されるダークマタルの総量と一致するほど希少でありながら、通常の物質とのより強い結合を持つことが可能になることを示している。この強い結合こそが、キセノンタンクでの衝突を可能にするために必要なものである。

このアイデアを検証するために、研究は、重さはほぼ同一だが約280 keVのわずかな差がある二種類の粒子からなるダークマターのモデルを構築している。これらの粒子は、「ダークフォトン」と呼ばれる新しい目に見えない力媒介粒子を通じて相互作用する。研究者は、異なる条件下でこれらの粒子がキセノン原子核に衝突する頻度を計算した。結果は、もし宇宙の膨張率が修正重力に関連する因子によってブーストされていたならば、そのパラメータは、空に見えるダークマターの量と、LUX-ZEPLINの単一の衝突イベントの両方を完璧に説明できることを示している。この研究は、ダークマターの質量と相互作用の強さに関する特定の範囲を特定し、それらが単一の衝突イベントと宇宙の存在量（アバンダンス）の両方を満たすことを示した。

また、この分析は、これらのアイデアを他の既知の事実と照らし合わせている。提案された粒子は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などで新しい粒子を探している他の実験によって発見されてはならない。研究によれば、提案された説明の一部は既存のデータによってすでに否定されているものの、可能な設定の大部分は依然として未検証のまま開かれている。これは、この理論がまだ生存しており、さらなるデータを待っている状態であることを意味する。研究者は、もし将来の実験がダークフォトンを検出できたり、あるいはLUX-ZEPLIN実験がより多くのデータを収集したりすれば、この特定の説明を裏付け、あるいは否定することができるだろうと述べている。さらに、もし初期宇宙がこれほど急速に膨張していたのであれば、それは将来の検出器が見つけられる可能性のある、かすかな重力波の背景を残していたかもしれない。これは、この物語をテストするための第二の道を提供する。

結局のところ、この研究は、地下深くのタンクにおけるたった一つの奇妙なイベントが、重力と初期宇宙に関する私たちの理解に対する根本的な変化を指し示す手がかりになり得ることを示唆している。これは、修正重力が現実であることを証明するものでも、LUX-ZEPLINのイベントが間違いなくダークマターであることを確認するものでもない。むしろ、もし宇宙が幼少期に異なった形で膨張したと仮定すれば、その奇妙なイベントは、本来であれば検出するにはあまりに弱いタイプのダークマターの、具体的な信号として妥当なものになることを示している。この論文は、一つのアノマリー（異常）がいかにして私たちを宇宙の歴史と、それを繋ぎ止めている目に見えない物質の性質についての再考へと駆り立てるのかを示す、一貫した道筋を提示している。