Home 広島大学大学院先进理工系科学研究科物理学フ?ロク?ラム
准教授 本間 謙輔
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(注：＊は半角＠に置き换えてください。)
本研究成果のポイント
- 宇宙空间を伝播する电磁波により、远方の軽い暗黒物质候补を光へと强制的に崩壊させ、その反射光を手元で捉える「远方诱导崩壊反射法」を発案しました。
- 本観测手法は、诱导用の电磁波の进行方向に対して、特に平行方向に运动する暗黒物质に対して有効であり、惑星の重力レンズ(用语1)効果により焦点に形成される高密暗黒物质の毛髪状构造を捉えることに、具体的な有効性があることを示しました。
- 本研究成果は、惑星重力レンズを利用する一般的な暗黒物质望远镜构想への発展の可能性を拓きます。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の本間謙輔准教授は、現代宇宙物理学における最大級の謎である?暗黒物質?に関する新しい観測手法を提案しました。この手法では、光を宇宙空間に飛ばして、暗黒物質が光に崩壊する様子を観察します。具体的には、約百万キロメートル先まで光を飛ばし、その範囲に存在する暗黒物質が反応して反射する光を受け取ります。これは、底引き網漁のように光の?網?を使って暗黒物質を探す方法に喩えられます。
光はわずか10秒で3百万キロメートル先まで届き、その范囲が暗黒物质の?渔场?になります。この新しい方法は、惑星の重力が暗黒物质の様子を映し出す?重力レンズ効果?を利用して、暗黒物质を観察することを目的としています。
地球周辺に现れると予想される暗黒物质の毛髪构造摆2,3闭のイラスト。
もし远くの银河から暗黒物质が地球に向かって降り注ぐとしたら、地球を头に例えると、その暗黒物质は入射侧とは反対の侧に?毛髪?のように広がります(上イラスト)。地球の中心を突き抜けるときと、周りを通过する时では、暗黒物质の分布が异なり、特に密度が高い部分が?毛根?のように见えることになります。
この研究は、密度の高い部分に観测卫星を配置して、そこから光を放ち、反射光を観察する?暗黒物质望远镜?の开発に役立ちます。
论文情报
本研究の成果は、欧州の科学雑誌?Journal of High Energy Physics?に 2024年9月7日(日本時間)に掲載されました。
- 論文タイトル：Remote sensing of backward reflection from stimulated axion decay
- 着者名：本间谦辅1,2
- 所 属:1 広島大学大学院先进理工系科学研究科
- 所 属:2 高エネルギー加速器研究机构量子场计测システム国际拠点(蚕鲍笔)
- DOI: doi:
背景
宇宙の光り輝く星々の根源は素粒子で構成されています。しかし、既知の素粒子群では、宇宙全体のエネルギー密度収支の5%程度しか満たせないことが、宇宙観測から判明しており、その5倍程度は、暗黒物質と呼ばれる、強い重力源に引き寄せられる未知の物質で満たされています。既知の素粒子群は、?強い力(核力)?、?電磁気力?、?弱い力(原子核崩壊を促す力)?を統一的に理解できる標準模型に収まっていますが、暗黒物質は、これに収まらない未発見粒子であると言われています。標準模型は大部分検証されていますが未完成の部分もあり、中でも強い力の性質に関する未解決問題があります。これを自然に解消するために、アクシオンと呼ばれる新粒子が予言されてきました。したがってアクシオンは、暗黒物質とは独立に、地上での観測、宇宙での観測、様々な手法で長年観測が試みられてきた粒子です。アクシオンが軽い場合には、有望な暗黒物質となり得ることが分かっており、特にその2光子への崩壊が判別しやすい信号になります。アクシオンに加えて、質量や物質との結合の強さがアクシオンに似てはいるが、理論模型としては異なる、より一般的なアクシオン様粒(axion-like particle, ALP)についても、観測が試みられるようになってきています。近年、宇宙背景赤外光?可視光の光量が、背景銀河から期待される光量と比べて顕著に多い観測データが得られており、その増光に対して、ALPの崩壊光子による解釈が多数試みられています。このような背景から、未観測粒子アクシオンやALPを探す強い動機が本研究の背景にあります。
研究成果の内容
本研究では、宇宙空间を漂うアクシオンや础尝笔など、光子対に崩壊し得る軽い暗黒物质(顿惭)候补を一般的に探索する新手法を発案しました(図上)摆1闭。これまで、これらの顿惭候补の探索には、主として磁石を使って、磁场を介して顿惭候补を光子へと変换し、その光子を観测する手法が取られてきました。この场合、静止する磁场の中に、偶然入射する顿惭をひたすら待ち続けることになります。この手法で感度を上げるには、强い磁石を巨大化して、暗黒物质に触れられる体积を大きくする以外ありません。一方、もし、磁石を光速で长距离移动させられたらなら、その実効的体积は桁违いに増大するでしょう。もちろん、巨大な磁石を动かすことはできません。そこで、磁石を动かすことは、电磁波を飞ばすことに置き换えられることに気づきました。レーザーやマイクロ波などの位相の揃った电磁波を、宇宙空间に放った场合、その光により顿惭候补を长距离空间にわたり诱导崩壊、つまり、稀にしか崩壊しない顿惭を强制的に崩壊させられます。この时、もし、暗黒物质が静止している场合には、运动量の保存(作用反作用)から2つの崩壊光子が正反対に出ます。その片方の光の方向を指定するのは、诱导用の电磁波の进行方向なので、もう片方の崩壊光子は、电磁波进行方向と真逆に放出されます。つまり、光速で伝播する电磁波は、镜の役割を果たすことになります。もし、パラボラミラーのごとく镜の面を球面に変えられるとすると、一箇所に反射光を集光させられることになります。レーザーなどの位相の揃ったコヒーレント光を宇宙空间で集光后発散させておくと、その集光点から少し离れた所ではほぼ球面状の伝播になります。その球面状光波で诱导崩壊させられた光子は、その発生点であった集光点に必ず戻ることになります。したがって、暗黒物质を鱼に、球面状の诱导电磁波を、光速で伝わる网に喩えると、网の体积内に捉えられた鱼が分裂しその半分が、网の手元に戻ってくる、いわば底引网渔の様な状况になります。
问题は、顿惭が観测者に対して、どの程度静止した状况が実现しているかです。顿惭の速度上限は、天の川银河に拘束されていることから光速の1/1000未満と见积もられます。地球年齢45亿年の间に、たまたま遅い顿惭が地球の重力中心に捉えられ地中に浓缩されている可能性はあるかもしれませんが、その场合、诱导电磁波を打ち込むには、地球に长穴を掘らなければなりません。幸运にも実际の地球の重力は、顿惭に対しては重力レンズとして働き、秒速220办尘の入射速度を想定すると、その焦点距离は地球中心から约100万办尘程度となります。その密度凝缩の効果は、焦点位置では10亿倍程度かつ、おおよそ100万办尘の距离にわたって少なくとも1千万倍程度の凝缩効果が维持されます。つまり、地球表面を头皮に喩えると、顿惭の毛髪の様な构造が现れます摆2闭。もし、観测卫星を毛根に置き、诱导电磁波を毛先に向けて打ち出した场合、顿惭崩壊からの信号収量は、密度増大に比例し、毛髪长の4乗に比例するため、光子と顿惭の结合が重力结合并みに弱い场合ですら感度をもてる超高感度探索が、原理的に実现できます(図下)摆1闭。
しかし、局所的に雾の如く缓く捉えられている顿惭は、地球に対して四方八方から入射するため、レンズによって轨道は曲がりますが、大きな密度増大は期待できません。これに対して最近见つかった白鸟座厂1ストリーム摆4闭(用语2)のような远方の顿惭源がある场合には、顿惭は地球レンズにほぼ平行入射するため毛髪形成が起こります。この场合、たとえ伝播轴方向に顿惭が様々な速度を持っていたとしても、卫星を姿势制御して毛髪方向に向けられていれば、常に毛髪全体を光の网で捉えられることになります。虫眼镜を地表のどこにおいても、太阳光が焦点を结ぶのは、太阳が虫眼镜から十分に远い位置にあり、常に平行入射の条件が整っているためです。したがって、远方からの顿惭ストリームに対しても同様に、顿惭源と地球レンズの中心を结ぶ线上に毛髪が?必ず?生じていることになります。以上を踏まえると、顿惭を豊富に含む远方银河に対して、どの方向から飞来するかに依らず、地球自体が全天的な望远镜レンズとして働くことが期待できます。これが?惑星重力レンズ顿惭望远镜构想?です。本研究は、この构想を将来実现するための础となります。
[1] Remote sensing of backward reflection from stimulated axion decay, K. Homma, Journal of High Energy Physics 09 (2024) 034 [arXiv:2312.02005].
[2] Dense Dark Matter Hairs Spreading Out from Earth, Jupiter and Other Compact Bodies, G. Pre?zeau, Astrophys. J. 814 (2015) 122 [arXiv:1507.07009].
[3] 以下のNASA ジェット推進室の紹介ページを参考に作成したイラスト。
[4] Dark matter hurricane: Measuring the S1 stream with dark matter detectors, C.A.J. O’Hare et al., Phys. Rev. D 98 (2018) 103006 [arXiv:1807.09004].
今后の展开
これまで、地球や木星等の惑星により、暗黒物质の毛髪构造が现れることまでは予言されていましたが摆2闭、毛髪を検知する具体的な方法论は提唱されていませんでした。本研究の成果は、新たな観测手法の导入により「惑星重力レンズ効果による暗黒物质望远镜」という新たな天文学构想を展开する可能性を切り拓きます。
谢辞
本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究(A)「レーザー誘導共鳴散乱によるXENON1T超過事象のアクシオン的解釈の検証(課題番号: 21H04474、研究代表者:本間謙輔)」、および、京都大学化学研究所共同利用?共同研究課題提案型研究(課題番号：2024-95研究代表者:本間謙輔)なと?の支援を受けて行いました。
用语説明
(用语1)重力レンズ：
天体の质量が作り出す重力场によって、その周囲で光线が曲げられる现象。光线が暗黒物质の流れに置き换わっても、同等な効果が期待されます。
(用语2)白鸟座厂1ストリーム：
白鸟座近傍にある太阳质量の100亿倍程度の矮小楕円银河から、太阳系の角度方向に现存する望远镜で観测可能な星々が流れ込んでいることが観测されています。このタイプの银河には多くの暗黒物质が含まれていると考えられており、暗黒物质も太阳系へ向けて流れ込んでいる可能性が高いことが指摘されています。
【お问い合わせ先】
