Supermassive charged gravitinos and the Lux-Zeplin event
本論文は、以前はWIMPの証拠として解釈されていたLux-Zeplinコラボレーションによって報告された異常な事象について、それは大きな電磁断面積、低いフラックス率、およびマイクロ秒以内の連続的な核再跳躍という予測されるシグネチャーによって特徴付けられる、分数電荷を持つ超質量グラビティーノによって引き起こされている可能性が高いと提唱するものである。
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ダークマターは宇宙の目に見えない足場であり、銀河を繋ぎ止めているものの、その姿を現すことを拒む謎めいた物質である。数十年にわたり、有力な理論は、この物質が「弱く相互作用する重い粒子」、すなわちWIMP（ウィンプ）で構成されているというものであった。これらは重いものの、通常の物質とはほとんど相互作用せず、幽霊のように地球を通り抜けていく仮説上の粒子である。これらを見つけ出すために、科学者たちは超高感度の巨大な検出器を地下深くへと建設し、WIMPが原子核に衝突した際に生じる、稀で微かな衝撃を待ち続けている。最近、液体キセノンを満たした検出器を運用しているLux-Zeplin共同研究グループは、潜在的なWIMPの衝突と思われる、単一の特異なイベントを報告した。しかし、二人の物理学者、クリストフ・A・マイスナーとヘルマン・ニコライは、この同じイベントに対して、根本的に異なる説明を提示している。彼らは、原因となった粒子は幽霊のようなWIMPではなく、重力理論と量子力学によって予測される、超質量の電気的に荷電したグラビティーノ（重力粒子）であると示唆している。それは物質と強く相互作用し、全く異なる種類の痕跡を残すものである。
この新しい研究の著者たちは、標準的なWIMP解釈は、ダークマター粒子が極めて弱く相互作用するため、ほとんど何も叩かないという考えに基づいていると主張している。対照的に、彼らの代替理論は、ダークマターが電荷を持つグラビティーノで構成されている可能性があると仮定している。電荷を持っているため、これらの粒子は、何にも気づかれずに通り抜けるのではなく、重い弾丸が標的に当たるかのように、検出器内の原子と電磁気的に相互作用する。WIMPは単一の孤立した信号を生じさせると予想される一方で、荷電グラビティーノは検出器を突き抜けるほど重いため、急速に連続して複数の原子に衝突し、直線の経路を描くはずである。研究者たちは、Lux-Zeplin検出器によって記録された、約248 keVの反跳エネルギーを伴うこの単一のイベントは、WIMPの予測と等しくよく一致しているが、両方の理論は、その瞬間に他に何が起こるべきかについて、非常に異なる予測を行っていると指摘している。
この新しい提案の核心は、これらのグラビティーノが、重力と量子力学が出会うスケールであるプランク質量に近い、信じられないほど質量が大きいという考えに基づいている。これほど重いため、それらは比較的ゆっくりと移動するが、原子に衝突した際に重大な損傷を引き起こすほどの運動量を持っている。弱核力を通じてのみ相互作用すると理論化されているWIMPとは異なり、これらの荷電グラビティーノは電磁気学を通じて相互作用する。これは、グラビティーノが検出器内の液体キセノンを通過する際、単に一つの原子核に当たって止まるのではなく、一連の複数の原子核に次々と当たる可能性が高いことを意味する。著者らは、もしグラビティーノが検出器に入ってきた場合、最初の衝突から数マイクロ秒以内に、二度目、さらには三度目の核反跳を引き起こす確率が高いと計算している。これらの二次的な衝突は最初のものよりもエネルギーは小さいが、入射粒子の経路に沿って完璧な直線を描いて発生する。
論文は、Lux-Zeplin共同研究グループによって観察された単一のイベントは、どのような粒子が見られたのかを決定的に証明することはできない、なぜならデータ自体は粒子を特定しないからである、と強調している。しかし、著者らは、WIMP仮説は粒子が極めて小さな断面積（相互作用の確率）を持つことを必要とする一方、グラビティーノ仮説は大きな断面積（相互作用の頻度が高いこと）を必要とする、と論じている。グラビティーノのシナリオにおいて、イベントが極めて少ない理由は、粒子が内気だからではなく、それらが途方もなく希少であるためである。研究者らは、WIMPのフラックス（粒子束）は高い可能性がある一方で、これらの超質量グラビティーノのフラックスは、1平方メートルあたり年間数個程度という、極めて微量であると推定している。この希少性が、粒子自体は「騒がしい」相互作用者であるにもかかわらず、なぜ一つのイベントしか見られなかったのかを説明している。
これら二つの可能性を区別するために、著者らはWIMPが決して作り出すことのできない特定のシグネチャー、すなわち、直線上での連続した複数の反跳を探すことを提案している。もしLux-Zeplin検出器が、数マイクロ秒以内の間に発生する二つ以上の核的なヒットを記録し、かつそれらのヒットが完璧に一直線上に並んでいたならば、それは荷電した超質量粒子の決定的な証拠（smoking gun）となるだろう。論文は、自然放射性物質からの中性子などの背景ノイズが、理論的には複数のヒットを引き起こす可能性があると述べているが、中性子がこのようなパターンを模倣するために必要なエネルギーと速度は極めて過酷であり、統計的にあり得ないものである。さらに、中性子はグラビティーノよりもはるかに速く移動するため、イベントのタイミングが重要な識別要素となる。著者らはまた、荷電グラビティーノは検出器内の電子とも相互作用し、その経路に沿ってかすかな光の輝きを生じさせる可能性があるが、この特定の信号については、キセノンについてはまだ計算されていないとも述べている。
結局のところ、この論文はダークマターの謎を解明したと主張しているのではなく、既存のデータに適合する説得力のある代替案を提示しているのである。それは、ダークマターは必ずしも弱く相互作用するものでなければならないという仮定に異議を唱え、代わりに、非常に重く、電荷を持ち、ただ単に目に触れることが稀すぎる粒子で構成されている可能性があることを示唆している。もし将来のLux-Zeplin検出器による観測によって、予測された連続的で直線的な反跳のパターンが明らかになれば、それは超質量グラビティーノの存在を裏付けるだけでなく、最小の粒子を重力の力へと結びつける、プランクスケールの物理学の最初の直接的な観測的証拠となるであろう。そのようなパターンが見つかるまでは、その単一のイベントは、次のパズルのピースがはまるのを待っている未解決の問いとして残されている。
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