ダークマターは独自の不可視な元素周期表を持っている可能性、鍵はビッグバン直後の「原始ブラックホール」

ダークマターは宇宙にある質量の大部分を占めていると考えられており、銀河の回転から宇宙の大規模構造まで至る所でその存在を示す証拠が見つかっているにもかかわらず、いまだ正体は不明です。そんなダークマターは実は1種類ではなく、さまざまな元素でできている通常の物質のように種類があるのではないかと論じる研究が発表されました。

[2310.08526] Recycled Dark Matter
https://arxiv.org/abs/2310.08526

Dark matter may have its own 'invisible' periodic table of elements | Live Science
https://www.livescience.com/space/cosmology/dark-matter-may-have-its-own-invisible-periodic-table-of-elements

これまでの研究では、「ダークマターは通常の物質とはほとんど相互作用せず、宇宙に普遍的に存在する、軽くて単純な1種類の粒子」だと考えられてきましたが、そのような新粒子を見つけるための熱心な探求はことごとく空振りに終わっています。そのため、科学者たちは「ダークマターはレアな代わりにもっと重いのではないか」と考え始めましたが、初期の宇宙にそのような重い粒子を十分に存在させるようなモデルは確立されていません。

2023年10月にプレプリントサーバーのarXivで公開した論文で、オクラホマ大学物理・天文学科のトーマス・C・ゲールマン氏らは、原始ブラックホールが存在したとの仮説を元に、ビッグバン直後の宇宙における暗黒物質粒子の生成を可能とする理論を発表しました。

研究者らによると、初期の宇宙では自然界の力が互いに分裂し、「統一力」から現在の「4つの基本的な力」へと変化するに伴って激しい相転移が起きたとのこと。この相転移は、基礎となる物理学が変化するほど圧倒的なものでした。言葉にすると途方もないように聞こえますが、粒子加速器を用いてビッグバンから数秒後の宇宙を再現した実験により、4つの基本的な力のひとつである「電磁気力」と「弱い核力」がひとつに融合することが確かめられています。

ゲールマン氏らは研究の中で、このような初期の相転移の中に重い暗黒物質が捕らわれる可能性があることを突き止めました。そうなると、宇宙の一部が新しい物理学に移行する一方で、まだ移行していない領域も残るという状態が発生します。これは、ちょうどお湯を沸騰させると液体の水の中に水蒸気の泡が閉じ込められるような状態です。

このモデルでは、初期の暗黒物質は軽く、その後に生まれた暗黒物質は重いものになります。そして、泡の中に閉じ込められたダークマターの密度が急上昇し、全てのダークマターが崩壊して原始ブラックホールとなります。こうして生まれたブラックホールはホーキング放射によって蒸発しますが、その際に一部のダークマターが吐き出されて復活するとゲールマン氏らは説いています。

以下は、研究チームが提唱する宇宙とダークマターの成り立ちを表した図です。まず、一番左の初期宇宙では、重いダークマターが詰まった真の真空の泡が形成されます(True vacuum DM heavy)。そして、その後原始ブラックホール(PBH)からのホーキング放射により超重ダークマター(UHDM)が放出されます。こうして、現在の宇宙に冷たい超重ダークマターが残ったというのが、ゲールマン氏らの仮説です。

ブラックホールが蒸発する際、複数の種類のダークマター粒子が生成されます。これらの粒子は、目に見えないといった多くの特徴を共有していますが、質量や速度、通常の物質との間に起きる相互作用などが異なります。従って、このモデルでは通常の物質に元素周期表があるようにダークマターにも複数の種類の粒子があり、宇宙のあちこちで目に見えない複雑な相互作用を起こしていることが示唆されます。

この理論はまだ仮説的な概念であるため、実験や観測により裏付けが得られるのはまだ先になりますが、天文学者らはビッグバンの重力波を観測することで、宇宙の始まりの時代を直接観測する方法を模索しています。