A relook at a low reheating temperature: Freeze-in versus Freeze-out

ダークマターは、宇宙を繋ぎ止めている目に見えない足場であり、全物質の約85パーセントを占めていますが、その真の性質は科学における最大の謎の一つであり続けています。私たちは、それがどのように星や銀河に重力で影響を与えているかを知ることで、その存在を認識していますが、その粒子を直接見たことは一度もなく、それがどのようにして誕生したのかも分かっていません。数十年にわたり、物理学者たちは、ビッグバンの直後の初期宇宙において、宇宙は粒子が渦巻く超高温のスープであったと想定してきました。この標準的な見解では、ダークマターの粒子は、宇宙が冷却される過程で形成されてその後に相互作用を停止したか、あるいは熱いスープからゆっくりと存在へと漏れ出してきたかのどちらかです。どちらのシナリオも、宇宙が最初から信じられないほど高温であったという条件、すなわち、その後のあらゆる宇宙論的歴史の舞台を設定する「高い再加熱温度」に依存しています。

デリー大学とインド工科大学カーンプル校の研究者による新しい研究は、今日見られる量のダークマターを説明するために、この初期の熱が極端に高くなければならないという考えに異議を唱えています。彼らは、シンプルかつ深遠な問いを投げかけました。「もし宇宙がそれほど熱くなかったとしたらどうなるだろうか？」と。具体的には、宇宙を満たす粒子の熱浴が、通常想定されている数兆度よりもはるかに低い、比較的低い温度で初めて存在し始めるシナリオを調査しました。これらのより低温の条件下でダークマターがどのように振る舞うかを詳細なシミュレーションによって実行した結果、彼らは、低い開始温度は単に数値を微調整するだけでなく、ダークマターを生成するメカニズムを根本的に破壊してしまうことを発見しました。彼らの研究は、もし宇宙が低すぎる温度で始まったとしたら、ダークマターが現在観測されている量を生成する方法は存在せず、粒子がどのように相互作用するかにかかわらず、実質的に、宇宙がどれほど冷たくなれるかについての厳格な下限値を設定することになることを示唆しています。

この発見の重要性を理解するには、まず科学者が考えるダークマター生成の2つの主要な方法を把握する必要があります。第一の方法である「フリーズアウト（凍結）」は、ダークマター粒子を、常に互いに衝突し合っている混み合った部屋の中の隣人と想像させます。部屋が熱く混雑しているとき、彼らは頻繁に相互作用します。部屋が冷えて群衆がまばらになると、彼らは衝突することをやめ、特定の数の生存者としてその場に留まります。第二の方法である「フリーズイン（浸透）」は、ゆっくりとした漏出のようなものです。ここでは、ダークマター粒子は非常に内気で、通常の物質の熱いスープとほとんど相互作用しません。彼らは時間をかけて非常にゆっくりと生成され、宇宙が十分に冷えて生成が停止するまで、存在へと滴り落ちていきます。どちらの方法も宇宙の温度に大きく依存していますが、温度の低下に対して全く異なる反応を示します。

研究者たちは、安定したダークマター粒子と、ダークな世界と可視の世界との間の架け橋として機能する重いキャリア粒子を用いた簡略化されたモデルを構築しました。彼らは、宇宙が徐々に加熱されるのではなく、特定の温度で瞬時に生成されたと仮定し、その開始温度を下げながらダークマターの存在量がどのように変化するかを観察しました。その結果、フリーズイン法においては、温度が生産の天井として機能することが分かりました。宇宙が高い温度で始まれば、熱いスープには、重いキャリア粒子の崩壊を含む様々なチャネルを通じてダークマターを生成するのに十分なエネルギーがあります。しかし、開始温度が下げられるにつれて、粒子を生成するための利用可能なエネルギーは減少します。研究者たちは、これはダークマターの量を単にわずかに減らすだけでなく、最も効率的な生成チャネルを完全に遮断してしまうことを示しました。例えば、開始温度がキャリア粒子の質量を下回ると、その粒子を単独で生成することができなくなり、宇宙ははるかに効率の低い方法に頼らざるを得なくなり、今日私たちが観測している量のダークマターを生成することに苦戦することになります。

状況は、フリーズアウト法においてさらに制限的です。このシナリオでは、ダークマター粒子がフリーズアウトする前に、互いに頻繁に相互作用できるほど十分に熱く、かつ高密度である必要があります。もし宇宙が低すぎる温度で始まった場合、粒子は適切に相互作用できる平衡状態に達する機会を得られません。彼らは必要な平衡状態に決して到達できず、通常であれば適切な量のダークマターを残すはずのプロセスが、そもそも軌道に乗ることさえできないのです。この研究は、与えられた粒子の特性に対して、宇宙が観測される量のダークマターを生成できない最小の温度が存在することを実証しています。それは、粒子間の相互作用の強さをどのように調整するかという問題ではありません。ある閾値を下回ると、その解決策は単に存在しなくなるのです。

この発見は、再加熱温度を、ダークマターモデルの問題を解決するために使用できる柔軟なツールであるとする一般的な誤解を覆すものです。確かに、低い温度はダークマターの生成を抑制することができますが、研究者たちは、この抑制には「硬い床（底）」があることを示しました。彼らは、どのような特定のダークマターモデルに対しても、粒子の質量によって決定される臨界温度が存在し、その温度を下回ると、遺物量（リリック・アバンダンス）は微々たるレベルまで落ち込んでしまうことを見出しました。もし宇宙がこれよりも低い温度で始まっていたとしたら、今日私たちが測定している量のダークマターは存在していなかったはずです。これは、正しい量のダークマターを持つという要求が、実は宇宙の温度に対する厳格な下限値を課していることを意味しています。

また、研究ではこれら2つの生成方法の間の遷移についても調査しました。高温では、粒子の調整次第で、モデルは弱く相互作用するフリーズインのシナリオと、強く相互作用するフリーズアウトのシナリオの両方をサポートできることがよくあります。しかし、開始温度が下がっていくにつれて、弱く相互作用する経路は効率が悪くなり、補うために強い相互作用が必要になります。最終的に、温度が低くなりすぎると、最強の相互作用を用いてもフリーズインによるダークマターの生成は不十分となり、一方で、宇宙が冷たすぎるためにフリーズアウトのための条件は満たされなくなります。高温時には明確であったこれら2つの経路は、収束し、そして臨界温度以下では完全に消失します。この収束は、一つの根本的な制約を明らかにしています。すなわち、宇宙の温度の歴史は単なる背景ではなく、どの粒子モデルが可能であるかを決定する「門番」なのです。

これらの限界をマッピングすることで、研究者たちは初期宇宙を見るための新しい方法を提供しました。再加熱温度を、理論に適合させるために調整可能な任意の値として扱うのではなく、彼らは、ダークマターの存在自体が初期宇宙の温度計として機能することを示しました。将来、ダークマター粒子の具体的な特性（質量や相互作用の仕方など）を特定することができれば、この研究の結果を用いて、宇宙が確立された最小の温度を計算することができるはずです。これにより、ダークマターの探索は宇宙の熱的歴史を探るプローブ（探針）へと変わり、今日私たちが発見しようとしている粒子に基づいて、数十億年前の条件を推論することが可能になります。この研究は、宇宙がダークマターを形成できるほど十分に熱くなければならず、もしそれよりも冷たかったとしたら、宇宙は私たちが今住んでいるものとは全く異なる姿になっていたであろうことを示唆しています。