地球そのものを検出器にして、10年分の地磁気データから暗黒物質を探した

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暗黒物質（ダークマター）を探すには、ふつう専用の装置を作ります。地下深くに巨大なタンクを据えたり、強力な磁石を並べたり、いずれも何年もかけて建設するものです。ところが今回紹介する研究は、装置を何も作っていません。使ったのは、英国の観測所が2012年から2022年までのあいだに記録し、すでに公開されていた地磁気のデータだけです。それを読み直して、素粒子の痕跡を探しました。

京都大学基礎物理学研究所の樽家篤史（たるや・あつし）准教授、広島大学の西澤篤志（にしざわ・あつし）准教授、日本大学の姫本宣朗（ひめもと・よしあき）教授、京都大学の野村皇太（のむら・きみひろ）特定研究員らのチームが、2025年から2026年にかけて4本の論文にまとめた研究です。発想を一言でいえば「地球そのものを検出器として使う」というものでした。

実験室では作れない大きさの磁石

暗黒物質は、宇宙の全エネルギーの約27%を占めるとされる正体不明の物質です。光を出さず、光を反射もしないので直接は見えません。それでも銀河の回転の速さや、遠くの光が重力で曲がる様子から、そこに何か重いものがあることは確実視されています。

候補はいくつもありますが、その一つが「アクシオン」という仮説上の粒子です。もともとは1977年に、素粒子物理学の別の問題を解くために提案されたものでした。ところがその後、ある質量の範囲にあれば暗黒物質の説明にもなることが分かり、有力候補として長く探され続けています。

アクシオンには、探すうえで都合のよい性質が一つあります。強い磁場の中を通ると、ごく弱くではあるものの、光（電磁波）に変わることが理論で予想されているのです。だから従来の探索実験は、強力な磁石を用意して、その中でアクシオンが光に変わる瞬間を捉えようとしてきました。欧州の研究機関CERNにあるCASTという実験がその代表です。

ただ、この方法には物理的な限界があります。磁石で磁場をかけられる空間の大きさには、どうしても上限があるのです。研究チームが目をつけたのは、地球には実験室ではとても作れない規模の磁場がもともとある、という点でした。地磁気です。方位磁針を北に向けさせている、あの磁場のことです。強さは実験室の磁石に比べればずっと弱いのですが、地球全体を包み込んでいるので、空間の広さでは比べものになりません。

地表と電離層のあいだにある「共鳴箱」

アクシオンが地球の磁場と作用して生まれる電磁波は、周波数がアクシオンの質量で決まります。今回チームが対象にしたのは、電子の質量より19〜21桁も軽い、超軽量のアクシオンです。この質量だと、生まれる電磁波の周波数は0.3ヘルツから30ヘルツほど。1秒間に数回から数十回ゆれる、ごく低い周波数の電磁波になります。

ここで地球の構造が、もう一つ味方をします。地表から高度100kmほどのところには、太陽の光で大気の一部が電気を帯びた「電離層」という層があります。地表と電離層にはさまれた球殻状の空間は、この程度の低い周波数の電磁波を閉じ込める性質があり、特定の周波数だけが強められます。雷が起こす電磁波が地球をぐるぐる回って共鳴する「シューマン共鳴」という現象は、まさにこの空間で起きているものです。

研究チームはこの空間を「天然の共鳴器」と呼んでいます。ちょうど探したいアクシオンの質量に対応する周波数、約8ヘルツ付近で信号が強められるからです。ただし一つ問題がありました。この空間の電磁波のふるまいを計算する理論は、これまで1ヘルツ以下しか扱えなかったのです。チームはまず、大気の電気の通りやすさを考慮に入れた新しい理論を組み立て、信頼できる予測を約30ヘルツまで広げました。これが4本の論文のうち、理論を担当した2本の中身です。

そのうえで、英国地質調査所（BGS）が公開している、スコットランドのエスクデールミュア観測所の地磁気データを解析しました。2012年から2022年まで、およそ10年分です。データから人工的なノイズを取り除き、「暗黒物質が原因なら、何年たってもほぼ同じ周波数に出続けるはず」という性質を手がかりに、10年間ずっと消えない細い線を探していきました。

上の図のように、地球の磁場を通り抜けるアクシオンが低い周波数の電磁波を生み、それが地表と電離層のあいだで増幅されて、地上の観測所の磁力計に届く、という筋書きです。

残った信号と、答えを出せない理由

結果から言うと、消えない線はありました。ノイズに対する信号の強さ（信号対雑音比）が2を超えるものが342本、3を超えるものが65本、5を超えるものが31本です。いちばん強いものは15.6ヘルツ付近にあり、信号対雑音比は13を超えていました。これらは1つの周波数だけに鋭く立っていて、理論が予想するアクシオンの信号の形と合っています。

ただし、ここで話が一段むずかしくなります。研究チームはこれらを「見つけた」とは言っていません。理由は二つあります。

一つは、人工的なノイズを完全には除外できないことです。観測装置のフィルターやデジタル変換器は、きりのよい周波数に細い線を作ることがあります。そうした線は取り除きましたが、残った候補の原因を特定するための追加情報が、今のデータにはありません。チームの表現では、これ以上ふるい落とす材料がないので、将来の探索のために候補として保持している、という段階です。

もう一つは、たとえ本物の暗黒物質の信号だったとしても、それがアクシオンなのか別の候補なのか、区別がつかないことです。同じチームはダークフォトンを扱った別の論文で、もう一つの暗黒物質候補「ダークフォトン」も同じデータから探しました。ダークフォトンは、ふつうの光の粒子に質量がついたような仮説上の粒子で、こちらは磁場がなくても電磁波を生みます。そして解析の結果、ダークフォトンの探索でも同じ342本の線が候補として出てきました。今の方法では、線を見ただけでは二つの粒子を見分けられないのです。

見分ける手がかりは、あります。アクシオンの信号は地球の磁場に頼って生まれるため、磁場の強さや向きが違う場所では、信号の強さも変わります。理論の予測では、東南アジアで最も強く、極に近づくほど弱くなります。一方のダークフォトンは磁場に頼らないので、地球上のどこで測ってもほぼ同じ信号になるはずです。世界の複数の観測所で同時に同じ線が見え、その強さが場所によって変わるか変わらないかを比べれば、正体に迫れます。

ところが今回使えたのは、スコットランドの観測所1か所のデータだけでした。地理的な違いを調べる材料が、まだないのです。

装置を作らずに更新した記録

候補の正体は分からないままですが、この研究にはもう一つ、はっきりした成果があります。候補が見つからなかった周波数については「もしアクシオンがいたとしても、光への変わりやすさはこの値より小さい」という上限を決められることです。今回の上限は、探索した広い質量帯でCASTを大きく上回り、アクシオンの質量が3×10のマイナス14乗電子ボルト付近では、CASTの約100倍厳しい値になりました。X線天文衛星（チャンドラ、NuSTAR）の観測から一定の理論的な仮定のもとで得られている制限にも匹敵する水準で、この質量帯では地上の直接探索として世界最高感度です。ダークフォトンについても、幅広い質量範囲で地上探索としては最も厳しい制限になっています。

これが、新しい装置を一つも作らず、すでに公開されていた地磁気データだけで得られた結果だという点は、何度読んでも不思議な気がします。極低周波の電磁波を記録できる設備であれば、原理的には同じ解析ができます。地磁気の観測所は世界各地にあるので、次の一手は明らかです。複数の観測所のデータを同時に解析し、今回の候補が別の場所でも見えるか、見えるならその強さは場所で変わるか、を確かめることになります。

今回の4本の論文は、いずれも査読を経て学術誌に掲載されたものです。とはいえ、候補が暗黒物質かどうかについては、研究チーム自身が「世界各地での同時観測による検証が期待される」という言い方にとどめています。見つかったのは答えではなく、確かめるべき宿題のリストと、それを確かめるための新しい方法だと受け取るのが正確なところだと思います。

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出典

研究の詳しい内容は、以下で読めます。プレスリリースは日本語で無料、論文のうちPTEPの3本は無料で全文が読めます。