暗黒物質の候補のひとつ「ダークフォトン」について、これまで「この範囲にはいない」とされてきた条件の多くが、実は成り立っていなかった——そんな論文が2026年8月13日、物理学の専門誌Physical Review Lettersに掲載されました。カナダのペリメーター理論物理学研究所のJunwu Huang氏とMohamad Shalaby氏、米メリーランド大学のAnson Hook氏による共同研究です。
新しい粒子が見つかったわけではありません。むしろ逆で、15年ほど使われてきた計算の前提がひとつ崩れ、「もう探す必要がない」とされていた広い領域が、探索の対象に戻ってきたという話です。
ダークフォトンという候補
暗黒物質は、宇宙にある物質のうち、星や惑星をつくる普通の物質の5倍ほどを占めるとされる正体不明の存在です。光を出しも吸いもしないため直接は見えず、重力の効き方からその存在が推定されています。正体の候補はいくつも提案されていて、そのひとつがダークフォトンです。
ダークフォトンは、名前のとおり光子（光の粒）の「暗黒版」にあたる仮想の粒子です。普通の光子と違ってわずかな質量を持ち、普通の物質とはほとんど関わりません。ただし完全に無関係ではなく、ごくまれに普通の光子と入れ替わる（変換される）と考えられています。この「たまに光子に化ける」性質が、探すときの手がかりになっています。
ダークフォトンの質量がどのくらいで、光子とどの程度混ざりやすいのか。この2つの数値の組み合わせが、探索の地図になります。地図の上には「ここにいたら、もう観測に引っかかっているはずだから除外」という領域が、これまでの研究で塗りつぶされてきました。
初期宇宙の「加熱」を根拠にした除外領域
その塗りつぶしの中でも、とりわけ広い範囲を占めていたのが、初期宇宙を根拠にした除外条件です。
生まれて間もない宇宙は、電子や陽子がばらばらに飛び交う高温のプラズマ（電離したガス）で満たされていました。プラズマの中では、光子は特定の振動数で「共鳴」を起こしやすくなります。宇宙が膨張して薄まっていくと、この共鳴の振動数はだんだん下がっていき、どこかの時点でダークフォトンの質量に対応する振動数とぴったり一致する瞬間が来ます。
この瞬間に、ダークフォトンはまとめて普通の光子（正確には、プラズマの中の電子の集団振動）に変換され、そのエネルギーがプラズマを温める——というのが、これまでの計算でした。もしそうなら、宇宙マイクロ波背景放射（宇宙の始まりから届く光）のスペクトルに、その加熱の痕跡が残っているはずです。ところが観測にはそんな痕跡は見当たりません。だから「加熱を起こしてしまう組み合わせのダークフォトンは存在しない」として、質量にして10桁分にわたる広い範囲が除外されてきました。
この推定は、変換の量を「線形」の近似で計算していました。ダークフォトンが光子に化ける勢いは一定で、共鳴が続くあいだ、プラズマに流れ込むエネルギーは素直に積み上がっていく、という扱いです。Huang氏によれば、この扱いは過去15年間の標準的なやり方でした。
プラズマが自分で変換を止めるという結果
今回の研究チームは、この線形の近似がどこまで通用するのかを疑いました。きっかけは、線形の計算で出てくるエネルギー移動の量が大きすぎることでした。Huang氏は、その量を見て「ありえない」と感じたと語っています。
そこでチームは、プラズマ物理の専門家であるShalaby氏の協力を得て、電子とイオン（陽子）の一粒一粒の動きを追うシミュレーションを行いました。プラズマの中にダークフォトンが作る振動する電場を与え、時間とともに何が起きるかを計算したのです。
結果は、線形の予想とはまったく違いました。共鳴が始まった直後は、たしかに予想どおりエネルギーが流れ込みます。しかし流れ込んだエネルギーが、プラズマの電子がもともと持っていた熱エネルギーと同じくらいになったところで、様子が一変します。電子の集団振動が強くなると、電子とイオンが振動の弱い場所へ押しやられ、プラズマの密度にむらができます。密度にむらができると、場所ごとに共鳴の振動数がずれてしまい、ダークフォトンとの共鳴が成り立たなくなります。つまり、変換は自分自身の効果によって止まってしまうのです。
最終的にプラズマが受け取れるエネルギーは、電子の熱エネルギーとほぼ同じ程度、多くても100倍ほどでした。これは、背景放射のスペクトルに痕跡を残すのに必要な量に比べて、桁違いに小さい数字です。論文の見積もりでは、痕跡が出るには宇宙にある放射エネルギーの1万分の1程度が注ぎ込まれる必要があるのに対し、実際に注ぎ込めるのはせいぜい1億分の1程度にとどまります。
要するに、初期宇宙のプラズマはダークフォトンからのエネルギーを「受け取れなかった」。加熱の痕跡がないのは当たり前で、それをダークフォトン不在の証拠にはできない、ということになります。
上の図のように、左側の「なめらかに一様な振動」が、右側では「密度のむらがある状態」に変わっていく——このむらが生じた時点で共鳴の条件が崩れ、エネルギーの流入が止まります。
広がった探索範囲
論文によると、この結果を踏まえて除外条件を計算し直すと、ダークフォトンの質量が10のマイナス14乗電子ボルトから10のマイナス4乗電子ボルトまでの10桁にわたる範囲で、光子との混ざりやすさの上限が少なくとも3000倍、範囲によっては1000万倍ほど緩みます。共鳴による変換を根拠にした除外条件は、この範囲では事実上すべて無効になったと研究チームは述べています。
除外が緩むというのは、それだけ「まだ探していない場所」が増えるということです。ダークフォトンを探す実験の多くは、光子との変換を利用して検出をねらっています。混ざりやすさの上限が上がれば、以前より弱い感度の実験でも手が届く領域が生まれます。Shalaby氏は、初期宇宙のプラズマを正しく計算することで、実験が新しい領域を調べられるようになり、実際に何かを捉えられる可能性が出てくると述べています。
もうひとつ、この研究が示しているのは、素粒子物理とプラズマ物理という別々の分野をまたいだからこそ見えた穴だった、という点です。素粒子側の計算では長年、プラズマは線形に応答するものとして扱われてきました。プラズマ物理の側からすると、振動が強くなれば非線形の効果が出てくるのは基礎的な話です。両方の視点が合わさって初めて、15年間見過ごされてきた前提が問い直されました。
留意点
いくつか押さえておきたい点があります。
まず、これは「ダークフォトンが見つかった」という話でも、「ダークフォトンが暗黒物質だと分かった」という話でもありません。除外されていた領域が探索の対象に戻ってきただけで、そこに本当にダークフォトンがいるかどうかは別問題です。
次に、緩んだのは初期宇宙の共鳴変換を根拠にした条件だけです。太陽内部でのエネルギー損失や、地上の実験、その他の天体観測に基づく除外条件はそのまま残っています。また研究チームは、共鳴によらないゆっくりとした加熱の効果から、新しい（以前よりは弱い）上限を別途計算しています。探索の地図が白紙に戻ったわけではなく、塗りつぶしの範囲が縮んだ、というのが正確なところです。
シミュレーションは1次元に簡略化したもので、また現実の初期宇宙よりずっと短い時間スケールで計算されています。研究チームは、共鳴が最も強く働く方向にそって計算すれば本質は捉えられると説明していますが、電子と陽子が再結合していく時期の扱いや、磁場をもつプラズマへの適用は、今後の課題として残されています。
さらに研究チームは、同じ非線形効果が、中性子星などの天体まわりのプラズマを使った別の暗黒物質候補（アクシオンなど）の除外条件にも影響しうると注意を促しています。今回の結果が他の候補の探索にどこまで波及するかは、これから検証されていくことになりそうです。
出典
A. Hook, J. Huang, M. Shalaby, “No Cosmological Constraints on Dark Photon Dark Matter from Resonant Conversion: Impact of Nonlinear Plasma Dynamics,” Physical Review Letters 137, 071004 (2026)：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/98cx-7t43
プレプリント版（無料で全文が読めます）：https://arxiv.org/abs/2510.13956
ペリメーター理論物理学研究所のプレスリリース：https://perimeterinstitute.ca/news/new-study-widens-hunt-dark-photons
Space.comの記事：https://www.space.com/astronomy/dark-universe/could-dark-photons-explain-dark-matter
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