Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

ダークマターの探索は、現代物理学における最も深遠な調査の一つであり、宇宙には目に見えるものよりもはるかに多くの質量が存在するという圧倒的な証拠によって突き動かされている。天文学者たちは、銀河内の恒星が、可視物質の重力だけでは引き留められないほど速く移動していることや、遠方の天体からの光が、目に見えない質量が存在しなければ説明できないような形で曲げられていることを長年観察してきた。この目に見えない物質は「ダークマター（暗黒物質）」として知られ、宇宙の全物質の約85パーセントを占めると考えられているが、光を放出も吸収も反射もしないため、従来の望遠鏡で検出することは不可能である。そのため、科学者たちは間接的な手法に頼っており、ダークマターが可視の物体に及ぼす微細な重力的牽引を探したり、地下深くの検出器内にある原子とダークマター粒子との間で起こる稀な衝突を探したりしている。

最も有望な戦略の一つは、液キセノンを満たした巨大なタンクの中でこれらの衝突を探すことであり、そこではダークマター粒子がキセノスの原子核に衝突すると、微小な光の閃光と小さな電気信号が発生する。最近、この種の主要な検出器であるLUX-ZEPLIN実験において、ダークマターの衝突である可能性のある候補イベントが報告された。特定のエネルギーレベルで発生したこの単一のイベントは、強い関心を集めている。なぜなら、それはダークマターが、衝突を引き起こすために粒子がわずかなエネルギーを得る必要があるという方法で、通常の物質と相互作用している可能性を示唆しているからである。「吸熱散乱（endothermic scattering）」として知られるこのシナリオは、ダークマター粒子には、軽い安定したバージョンと、わずかに重い励起状態のバージョンの2つの形態があることを意味している。信号を作り出すためには、ダークマター粒子が衝突からエネルギーを吸収して、軽い状態から重い状態へと跳ね上がる必要がある。しかし、この単一のイベントだけでは、ダークマター粒子が実際に何であるかは分からない。それは、電子や陽子を含む粒子のクラスである「フェルミオン」の一種である可能性もあれば、固体のような物体というよりは場のように振る舞う異なる種類の粒子である「スカラー」である可能性もある。これら2つの可能性を区別することは、宇宙の根本的な性質を理解する上で極めて重要であるが、地球上のキセノン検出器においては、両者が生み出す信号はほぼ同一である。

このパズルを解くために、研究チームは太陽へと目を向けた。彼らはシンプルかつ深遠な問いを立てた。「もし2種類の異なるタイプのダークマバリーが、地球上のキセノン検出器において全く同じ信号を生み出すとしたら、太陽はその違いを見分けることができるのだろうか？」と。太陽は巨大な重力トラップとして機能し、銀河からダークマター粒子を引き寄せている。これらの粒子が太陽内部の原子核と衝突すると、速度を失って太陽核の周囲を回る軌道に捕捉されることがある。一度捕捉されると、粒子は衝突を繰り返しながらエネルギーを失い続け、最終的に中心部の高密度で高温の雲へと落ち着く。やがて、これらの粒子は互いに遭遇して消滅（対消滅）し、高エネルギーのニュートリノを放出する。これは地球上の望遠鏡で検出可能である。研究者たちは、これらの粒子の初期の捕獲プロセスはフェルミオンとスカラーの両方で同様に見えるかもしれないが、その後の太陽内部での挙動は大きく異なる可能性があることに気づいた。

チームは、2つの特定のダークマターモデル、すなわち「分裂フェルミオン二重項（split fermionic doublet）」と「不活性スカラー二重項（inert scalar doublet）」を比較するための詳細なシミュレーションを構築した。彼らは、これら2つのモデルの特性を注意深く調整し、LUX-ZEPLIN検出器において全く同じ数の衝突を生み出すように設定した。これにより、地上実験では区別がつかない状態にした。次に、彼らはこれらの粒子が太陽へと落下していく過程を追跡した。鍵となる違いは、粒子の励起状態が基底状態に戻るまでにどれくらいの時間がかかるかという点にあった。フェルミオンのモデルでは、励起状態は極めて短命であり、ほぼ瞬時に崩壊する。一方、スカラーのモデルでは、励起状態ははるかに長く、数日間生存する。このタイミングの差が、太陽内部で起こる物語全体を変えることになる。

フェルミオンのシナリオでは、粒子が非常に速く崩壊するため、実質的に、余分なエネルギーをすでに失った単一の粒子のように振る舞う。そのため効率的に冷却され、太陽核に落ち着き、そこでパートナーと消滅する。スカラーのシナオでは、粒子は励起状態のままより長い時間留まる。この延長された期間中、粒子は他の原子と跳ね返り合い、速度を得る可能性が高くなり、冷却されて核に落ち着く前に太陽の重力を振り切って脱出してしまう可能性がある。研究者たちは、この微細な寿命の差が最終的な結果に測定可能な違いをもたらすことを発見した。どちらのモデルもダークマターを捕捉し、捕捉と消滅が均衡する状態に達するものの、スカラーモデルは核内に保持される粒子がわずかに少なくなっていた。具体的には、スカラーのダークマターが消滅する割合は、捕獲率が同じであったとしても、フェルミオンのダークマターよりも約5〜8パーセント低い。

この結果は重要である。なぜなら、太陽が、地上での検出器では隠されてしまう粒子モデルの違いを明らかにする「フィルター」として機能することを示しているからである。研究者たちは、どちらのモデルも完全に排除する方法を見つけたわけでも、どちらが正しい答えであると証明したわけでもない。むしろ、これら2つのモデルは、キセノンタンクの中では区別がつかないものの、星の内部では異なる進化の経路を辿ることを示したのである。スカラー粒子は、その寿命の長い励起状態のために、太陽から脱出しやすい傾向があり、それが総消滅イベント数のわずかな減少につながっている。この差は小さいが、私たちの銀河におけるダークマターの密度や太陽の内部構造に関する幅広い仮定において一貫している。

また、この研究はこれらの消滅が生成する信号の性質についても調査した。ダークマター粒子が消滅するとき、しばしばWまたはZボソン、すなわち弱い核力を媒介する重い粒子をペアで生成する。これらのボソンは、その後、ニュートリノを含む他の粒子へと崩壊する。研究者たちは、フェルミオンモデルとスカラーモデルが、異なる偏極状態などの異なる特性を持つボソンを生成し、それが結果として異なるニュートリノのエネルギースペクトルを生み出すことを発見した。予測されるニュートリノ信号をIceCubeニュートリノ観測所の既存データと比較したところ、特定のタイプのダークマターに対して、両方のモデルの予測信号がIceCubeによる現在の制限値よりも強いことが判明した。しかし、この比較はソースレベルで行われたものであり、ニュートリノが太陽を通過する際の複雑なプロセスや、検出器がそれらにどのように反応するかについては考慮されていない。したがって、この発見はまだどちらかのモデルを決定的に除外するものではないが、将来のより詳細な分析によって、これら2つのモデルが異なるニュートリノ・シグネチャーを持つ可能性があることを浮き彫りにしている。

結局のところ、この研究はダークマターの性質を探るための新しいツールを提供している。たとえ2つの理論が直接検出実験において同じ信号を予測したとしても、太陽という天体環境がその潜在的な違いを露呈させ得ることを示している。研究者たちはダークマターが何であるかを発見したのではないが、太陽がいかにして非常によく似た2つの候補を区別する助けとなるかを示したのである。地下検出器のデータと恒星進化の物理学を組み合わせることで、科学者はダークマターの膨大な可能性の領域を絞り込み始めることができる。この研究は、太陽がダークマター探索における単なる受動的な観測者ではなく、微細な粒子物理学のダイナミクスが壮大なスケールで展開される能動的な実験室であり、地上の実験だけでは提供できない補完的な視点を提供していることを裏付けている。