LHCの膨大なデータから暗黒物質を探す

最近の報道で触れたように、超対称性と呼ばれる仮説は、物質の基本構成要素の振る舞いを説明する標準モデルに現れた問題を解決する有力な候補の一つです。超対称性は、ヨーロッパで開催されたリンダウ会議の報道から話題を逸らすのにも最適な候補です。リンダウ会議は、私たちの科学ツアーの次の目的地である欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）です。多くの科学者が、超対称性の最初の直接的な証拠がここで現れると期待しています。

欧州原子核研究機構（CERN）のLEPやフェルミ研究所のテバトロンといった前世代の粒子加速器は、宇宙の基本的な構成要素となる粒子群を全て生成してきました。これらには、クォークやレプトン（電子とニュートリノを含む）といった物質の構成要素、そしておなじみの光子から重く生成困難なWボソンに至るまでの力の担い手が含まれます。デビッド・グロス氏がリンダウでの講演（上記リンク）で説明したように、標準モデルのこれらの構成要素は、プランク長から宇宙に至るまでのスケールで検証された極めて正確な予測を可能にしています。

標準モデルは近年の観測結果に対応するために若干の調整が必要ではあるものの、グロス氏は、大幅な見直しが必要なことを示唆する3つの大きな問題があると述べています。その1つは、暗黒物質が存在し、少なくとも宇宙の寿命の間は重く安定した粒子であるという説得力のある証拠があることです。残念ながら、標準モデルはこれらの要件を満たすものを何も提供していません。

力の統一もまた問題だ。電磁力、強い力、弱い力、そして重力といったすべての力は、エネルギーが増加すると変化する。しばらくの間、標準モデルでは、これらの力の軌跡は十分なエネルギーで3つの力すべてを統一させるように見えたが、最近の計算では、3つの力は出会うものの、同じ点で出会うことはないことが示唆されている。物理学者は力が統一されないという考えを受け入れるか、標準モデルが何かを見逃しているかのどちらかだとグロス氏は述べた。

もう一つの問題は、グロスが「質量スケール」と呼んだものです。標準模型は、粒子が質量を持つことを保証するためだけに修正を必要としましたが、異なる質量が最終的になぜそのようになるのかについてはほとんど何も述べていません。最も軽い粒子（ニュートリノ）の質量と他のすべての粒子の質量の間には数桁の差があり、残りの粒子でさえメガ電子ボルトやギガ電子ボルトの範囲にあります。物理学者たちは、その理由がわからないことに深い不満を抱いているようです。

グロス氏によると、超対称性はこれらすべての問題を解決できるという。彼は、標準模型の粒子を新たな軸の周りで回転させ、対称的な粒子群を作り出すという概念を説明した。クォークはスクォーク、電子はセレクトロン、光子はフォティノなどになる。（既知の4次元については既に扱っていると思われるため、この回転には数がもはや交換しない量子次元が必要だとグロス氏は述べた。）これらの新しい粒子のほとんどは非常に重く、ごく軽いものを除いてすべて不安定である。都合の良いことに、超対称性のいくつかの形態では、この軽い粒子は1TeV付近、つまり天文学のデータから暗黒物質粒子が存在するはずの近傍に収束する。

グロス氏によると、最小限の拡張で、力は最終的に1%の精度で統一されるという。ヒッグス粒子の質量（対称性を考慮すると、実際にはヒッグス粒子は2つ存在する）はフェルミオンの質量と関連している可能性があり、これは私たちが十分に理解しているように見えるため、満足している。超対称性に本当に欠けているのは、超対称粒子が実際に存在するという証拠だけらしい。

どのような超対称性を探すべきでしょうか?

しかし、CERN訪問で、グロスが提唱した超対称性は、超対称粒子を実現するための数ある可能性の一つに過ぎないことが極めて明確になりました。CERNで数十年にわたり研究を行っている理論家ジョン・エリス氏は、超対称性を標準モデルの「最も妥当な」代替物と表現し、物理学者がこの仮説や他の仮説で提唱されている粒子を検出するための方法（「より突飛なアイデアを検証する方法」と表現しました）の発見に注力しています。

グロス氏が提示したモデルは、既存の標準モデルの挙動の大部分が超対称領域で維持される、いわゆる極小超対称標準モデル（MSSM）に該当すると思われます。このクラスのモデルはパラメータの範囲が最も狭いものの、エリス氏はArs誌に対し、これらの粒子の潜在的質量など、一部のパラメータは非常に不確実なままであると述べました。また、他の理論家たちは、他の多くのパラメータに自由度を追加する非極小拡張を検討しています。

できるだけ多くの問題を検証したいところですが、エリス氏によると、理論家はしばしば「岐路に立つ」状況に陥るそうです。MSSM（超対称性理論）では、最も軽い超対称粒子は安定しており、ダークマターの自然な候補となります。この粒子が安定しない非極小モデルも存在しますが、これらはダークマターとは何かを説明する問題を解決しません。そのため、モデルによって未解決の問題をどの程度解決したいかを決める必要があります（これについては後ほど詳しく説明します）。

いずれにせよ、暗黒物質の検出は、衝突によって粒子が「失われた」エネルギーと質量を奪うため、かなり容易になるとエリス氏は示唆した。しかし、検出器によって生成される膨大な量のデータを考えると、効率的な探索が依然として重要であり、理論家は探索を実行するソフトウェアの開発を指導できる分野である。

しかし、本当の面白さは、理論的な予想と全く一致しない何かが見つかった時に始まるかもしれない。一部の超対称性モデル（そして他の理論的枠組みも）は多くの自由度を許容しているため、エリス氏の言葉を借りれば「床に置かれたレゴのように」、検討すべき可能性は豊富にあるだろう。検出器が捉えているものを、限られた数の可能性のあるモデルとどのように一致させるかを考えることが、この面白さの源となるだろう。しかしエリス氏は、実際にそれが起こるまで心配することに意味はないと考え、「それが存在すると分かるまで、なぜ過剰に分析する必要があるのか​​？」と問いかける。

すべてを一度に解決してみませんか?

エリスが指摘したように、暗黒物質が安定で弱い相互作用をする質量の大きな粒子から構成されるという予想は、その説明に合致する何かを含む超対称性の形態に多くの人々を興奮させてきました。しかし、暗黒物質は説明のつかない天文現象の唯一の例ではありません。だからこそ、インディアナ大学のポーリン・ギャニオン氏のような人々は、すべての異常性をきちんとまとめた超対称性の形態を考案できるかどうかを探ることに興味を抱いているのです。

ギャニオン氏は、暗黒物質の世界が単一の重い粒子よりも少し複雑である可能性を示唆する一連の観測について講演した。これらの観測には、陽電子の過剰を検出したPAMELA、高エネルギー電子の検出をATIC実験が行ったこと、銀河中心からのガンマ線の過剰（EGRETによる観測）、そしてWMAP衛星によるマイクロ波のヘイズの検出などが含まれる。これらの観測結果の一部は独立した観測機器による再現が見られなかったものの、暗黒物質が関与する高エネルギー現象によって説明できる可能性を示唆する意見もある。DAMA/LIBRAやINTEGRALなどの実験によって得られた低エネルギーの証拠にも同様のことが当てはまる。

ピーター・グロス氏をはじめとする多くの人々は、今後の観測ではこれらの結果の一部は再現されず、残りは既存の暗黒物質の概念に組み込める1つか2つの現象に凝縮されると予想しています。ギャニオン氏らは別の可能性を検討しています。もし、それらの現象がすべて正しく、暗黒物質の挙動が様々なエネルギー（そして必然的に質量）の範囲をカバーしているとしたらどうでしょうか。

この推測の結果として、彼女は「隠れた谷」物質モデルと呼ぶモデルを生み出しました。これは、標準モデルのよく知られた粒子と「ダークセクター」の粒子との間に高いエネルギー障壁が存在するというものです。ダークセクターには少なくとも2つの粒子が含まれています。1つは重いWIMP候補粒子、もう1つは低エネルギーの異常現象の一部を説明できる軽いボソンです。このモデルによれば、これまでこれらの粒子が発見されなかったのは、ダークセクターと通常の物質の間に高いエネルギー障壁があることと、軽いダークマター粒子がおなじみのレプトンのジェットに崩壊してしまうことが原因です。