暗黒物質のわなに残された奇妙な一撃

暗黒物質は宇宙の物質の大部分を占めるが、その粒子をとらえた人はまだいない。何十年もの間、有力候補とされてきたのは、WIMPと呼ばれる遅くて重い粒子だった。地下深くに埋められた液体キセノンの巨大なタンクが、その粒子がキセノンの原子核にぶつかって反跳させる瞬間を待っている。

当てはまらない1つの事象

LUX-ZEPLIN実験(LZ)は最近、より強い衝突にまで探索範囲を広げた。主なエネルギー領域である5.4〜50キロ電子ボルトでは、変わったものは何も見つからなかった。ところがもっと高いエネルギーで、バックグラウンドのノイズがほとんど予想されない領域に、248キロ電子ボルトの事象を1つだけ記録した。局所的な有意性は3.4シグマ。興味深いが、発見ではない。

問題は運動学にある。キセノンの原子核をそこまで強くはじくには、粒子が大きな運動量、約246 MeV/cをもっていなければならない。銀河の中をゆっくり漂う暗黒物質にそれができるのは、非常に重い場合、つまり陽子の約74倍の質量を超える場合だけだ。しかし、そのような重いモデルは、低エネルギー側での沈黙によってほぼ否定されている。

死にゆくブラックホールからの速くて軽い粒子

そうした一撃を与えるもう一つの方法は、軽いけれども非常に速い粒子だ。その自然な供給源が原始ブラックホールである。いくつかの理論によれば、ごく初期の宇宙で生まれたとされる。小惑星ほどの質量、10¹¹〜10¹³グラムのものは、現在ホーキング放射によって蒸発しつつあり、自身の温度より軽いあらゆる種類の粒子をまき散らしているはずだ。その中には暗黒物質が含まれる可能性もある。

インド工科大学グワーハーティー校のJitumani Kalitaは、そうした粒子の流れがLZの中で何を起こすかを計算した。248 keVの衝突を生むには、入ってくる粒子に約123 MeVのエネルギーが必要になる。

なぜうまくいかないのか

ホーキング放射は熱的な放射だ。高エネルギーの粒子よりも、低エネルギーの粒子をはるかに多く生み出す。20〜50 MeVの粒子は、123 MeVの粒子より指数関数的に多い。したがって、強い衝突が1回あれば、弱い衝突が洪水のように起きるはずだ。それはまさに、LZが何も見なかった領域である。

キセノン中で予測される反跳スペクトル:どちらのモデルも、248 keV(点線)よりも低エネルギー側(左)ではるかに多くの事象を生む。— 図1、Kalita (2026), arXiv:2609.29462.

著者は、標準的な2つの「抜け道」を試した。

• 移行する運動量が大きいほど強くなる衝突。 最も極端な場合でも、20〜30 keV付近に事象のこぶが残り、その頻度は248 keVでの頻度の約100倍になる。
• 衝突のときに少し重い状態に変わる粒子。 この工夫は遅い暗黒物質には有効だ。しかしこれほど速い粒子では、わずかなエネルギーの代償は無視できるほど小さい。低エネルギー側の超過は、信号の1000倍以上のままになる。

結論は厳格な「ノーゴー(不可能)」だ。LZの事象は、蒸発する原始ブラックホールから放出された暗黒物質によるものではありえない。

それでも教訓を残す失敗

議論を逆にすると、それは一つの測定になる。LZが低エネルギー事象の洪水を見ていない以上、そうしたブラックホールはありふれた存在ではありえない。約2 × 10¹¹グラムのブラックホールの場合、暗黒物質全体の約100万分の1以下しか占められない(信頼度90%)。10¹³グラムを超えると、ブラックホールが冷たすぎて影響しないため、この制限は急速にゆるくなる。

原始ブラックホールが暗黒物質に占める割合の上限を、その質量の関数として示したもの:影をつけた領域は除外される。— 図2、Kalita (2026), arXiv:2609.29462.

著者によれば、遅い暗黒物質をとらえるために作られた検出器は、蒸発するブラックホールが放出するはずの速い粒子を調べるのにも使えるという。

残された謎

これは単独の著者による理論研究で、対象は1つの事象だけだ。LZの衝突の本当の原因はわかっていない。論文は一つの説明を否定しているが、別の説明を提案しているわけではない。