加速器で「何もない空間」から暗黒物質を作る理論提案

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宇宙の重力の帳尻は、目に見える物質だけでは合いません。星や銀河、ガスといった普通の物質を全部足しても、観測される重力の効き方を説明するには量が足りず、およそ5倍の「見えない何か」が必要になります。この見えない何かを暗黒物質と呼びます。宇宙のどこにでもあるはずなのに正体は分かっておらず、当然ながら、作り方も分かっていません。

そこに、「作り方」の候補を一つ示した理論論文が出ました。ドイツのヘルムホルツ・センター・ドレスデン・ロッセンドルフに所属する理論物理学者、ステファン・エヴァンス氏とラルフ・シュッツホルト氏によるもので、2026年9月に物理学の専門誌Physical Review Dに掲載されています。主張を一行にすると、原子核を十分に激しく加速すれば、何もない空間から暗黒物質の候補粒子が対になって飛び出してくるはずだ、というものです。

暗黒物質の候補「アクシオン」

この論文が扱う粒子はアクシオンといいます。仮説上の粒子で、まだ誰も見つけていません。もともとは暗黒物質のために考え出されたものではなく、陽子や中性子の中でクォークを結びつけている「強い力」の理論に残っていた別の謎を解くために、1970年代に提案されました。その解決策から自然に出てくる粒子がアクシオンで、後になって、その性質が暗黒物質の候補としても都合がよいと分かった、という経緯です。

つまりアクシオンは、素粒子の理論と暗黒物質の両方に足をかけている粒子です。今回の話で効いてくるのは、素粒子の理論のほうの足です。

原子核の中ではアクシオンが軽くなる

ここからが少し不思議な話になります。何もない空間、つまり真空は、量子論の世界では本当の空っぽではありません。クォークとその反粒子が対になって常に現れては消えており、それが背景としてびっしり詰まっています。この背景をクォーク凝縮と呼びます。

そしてアクシオンの質量は、このクォーク凝縮の濃さで決まると考えられています。ところが原子核の内部では、クォーク凝縮が外の真空より薄くなることが分かっています。論文の見積もりでは、25〜50パーセントほど減るとされています。凝縮が薄いなら、そこではアクシオンの質量も軽くなる。言い換えると、原子核はアクシオンにとって「外とは性質の違う場所」になります。光にとって水と空気が別の媒質であるのと同じ意味で、原子核はアクシオンにとって別の媒質だ、というのが論文の出発点です。

この見方の強みは、前提が少ないことです。多くのアクシオン探索は、アクシオンが光や電子とどれくらい強く結びつくかという未知の数値に頼っていて、その数値は理論によって何桁も違います。エヴァンス氏らの計算は、アクシオンが提案された当初の仕組みと、原子核の内部でクォーク凝縮が薄くなるという確立した結果だけを組み合わせており、結果はアクシオンの質量だけで決まります。

さらに論文は、この性質から静かな帰結を一つ導いています。真空のゆらぎは、アクシオンが一個も存在しなくても消えません。そして原子核がそのゆらぎの様子を変えるなら、二つの原子核を近づけたとき、両者のあいだにわずかな引力が生じるはずです。これはカシミール効果と呼ばれる現象のアクシオン版にあたります。カシミール効果とは、二枚の金属板をごく近くに置くと、板のあいだで許されるゆらぎの種類が外と変わり、その差が板を引き寄せる力になる、というよく知られた現象です。ただし原子核の場合は、電気的な反発力のほうが桁違いに大きいので、この引力を測るのは現実にはかなり難しいと論文自身が認めています。

動かすと本物の粒子が出てくる

静止した原子核の話はここまでで、本題は「動かしたらどうなるか」です。

カシミール効果には動的な版があります。ゆらぎを変える境界が十分に速く動くと、その動きが場にエネルギーを注ぎ込み、真空のゆらぎが本物の粒子の対になって出てくる。これを動的カシミール効果といい、理論だけの話ではありません。電磁場については2011年に超伝導回路の実験で実際に光子が作られ、確認されています。

原子核は、ただそこにあるだけでアクシオン場のゆらぎを変えています。ならば、その原子核を十分に激しく加速すれば、ゆらぎを変えている領域が動くことになり、動的カシミール効果と同じ仕組みで、もつれた（量子的に結びついた）アクシオンの対が真空から生まれるはずだ。これがこの論文の中心にある主張です。加速に使ったエネルギーの一部が、アクシオンの対という形で外に出てくる、と言い換えてもかまいません。

上の図のように、二つの原子核が正面衝突せず、互いの電磁場だけを感じながらすれ違うとき、軌道が急に曲げられ、その加速から粒子の対が飛び出す、という筋書きです。

加速している側から見た真空

ここで、同じ現象にもう一つの見方があります。これがこの論文でいちばん面白いところだと思います。

ウンルー効果という理論的な予測があります。一定の加速度で加速し続けている観測者には、止まっている人が「空っぽの真空」と呼ぶ空間が、温度を持った粒子の浴のように見える、というものです。加速が激しいほど、その浴は熱くなります。1970年代に提唱されて以来、理論としては広く受け入れられていますが、必要な加速度があまりに大きいため、直接の実験的確認はまだありません。

この効果を今回の状況に当てはめると、こうなります。激しく加速されている原子核の立場に立てば、周囲の真空はアクシオンで満ちた温かい浴に見える。原子核は、その浴の中のアクシオンを一個はじき飛ばす。ただ、それだけのことをしている。

ところが、止まっている実験室側からは、アクシオンの浴など存在しません。同じ出来事を実験室から眺めると、加速された原子核が真空から二個のアクシオンを対で吐き出したように見えます。加速している側にとっての「浴の粒子を一個はじいた」が、止まっている側にとっての「何もないところから対を作った」に対応するわけです。

どちらの見方も正しく、記述している物理は同じです。エヴァンス氏らは、この二つの見方が対応することを、加速された原子核が出すアクシオンの放射はウンルー効果の証拠とも解釈できる、という形でまとめています。もしこの過程が観測できれば、それはアクシオンの発見であると同時に、ウンルー効果の間接的な確認にもなります。

既存の加速器で試せる形

理論としては美しくても、必要な加速度が現実離れしていれば絵に描いた餅です。この論文が理論の遊びで終わっていないのは、実験の設定を具体的に指定しているからです。

提案されているのは、重イオン加速器での超周辺衝突です。金や鉛のような重い原子核を光速近くまで加速し、正面からぶつけるのではなく、ぎりぎり擦れ違わせる。原子核どうしは触れませんが、それぞれが持つ強力な電磁場は互いに作用し、軌道が急激に曲げられます。この「短い時間に起きる急な運動の変化」が、動的カシミール効果に必要な加速そのものになります。超周辺衝突は現在の重イオン実験ですでに日常的に起きている現象なので、新しい装置を建てる必要はありません。

計算によると、生まれる二個のアクシオンは同じ方向にそろって飛び出しやすく、また、アクシオンの質量が軽いほど対が生まれる確率は高くなります。

留意点

これは理論の提案であり、アクシオンが作られたわけでも、観測されたわけでもありません。押さえておきたい点は三つあります。

一つ目は、一回の衝突で対が生まれる確率が非常に小さいことです。論文自身、この確率を小さな数だと書いたうえで、衝突の回数を重ねれば無視できない量になりうる、という言い方にとどめています。

二つ目は、結果がアクシオンの質量に強く依存することです。今回の計算は結合の強さという未知数を排除できた代わりに、質量が分からなければ確率も決まりません。論文の例で取り上げられている質量は、暗黒物質の候補としてよく議論される軽いアクシオンよりかなり重い領域なので、そこがずれていれば話は変わってきます。

三つ目は、仮に作れても、検出は別の問題だという点です。アクシオンは物質とほとんど反応しないので、飛び出したアクシオンが都合よく検出器の方向へ向かい、なおかつ検出器がそれを捉えられる必要があります。液体キセノンを使った暗黒物質検出器のような高感度の装置が候補に挙がっていますが、難易度が高いことは著者らも認めています。

それでも、「加速器のビームラインで、真空から暗黒物質の候補粒子を作る」という実験が、まったくの空想ではなく既存の設備で試せる形にまで落とし込まれたことは、それ自体が一つの前進です。今後、実験グループがこの提案をどう受け止めるかが注目されます。

画像について

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出典

研究の詳しい内容は、以下で読めます。専門誌の本文は有料の場合があるため、無料で読めるプレプリント（査読前の版）と解説記事もあわせて挙げておきます。