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SCIENTIFIC AMERICAN November 2010

Dark Worlds

暗黒物質が作る影の宇宙

By Jonathan Feng /Mark Trodden J. フェン /M. トロッデン
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On September 23, 1846, Johann Gottfried Galle, director of the Berlin Observatory, received a letter that would change the course of astronomical history. It came from a Frenchman, Urbain Le Verrier, who had been studying the motion of Uranus and concluded that its path could not be explained by the known gravitational forces acting on it. Le Verrier suggested the existence of a hitherto unobserved object whose gravitational pull was perturbing Uranus’s orbit in precisely the way required to account for the anomalous observations. Following Le Verrier’s directions, Galle went to his telescope that night and discovered the planet Neptune. 1846年9月23日,ベルリン天文台長のガレ(Johann Gottfried Galle)は,後に天文学の歴史を大きく変えることになる1通の手紙を受け取った。差出人はフランスの天文学者ルベリエ(Urbain Le Verrier)だった。
 天王星の運動を研究していたルベリエは,その軌道が天王星に働く既知の重力では説明できないと結論づけていた。ルベリエは未知の天体が存在し,その重力が天王星の変則的な運動を説明するのに必要な摂動を天王星の軌道に与えているのではないかと考えていた。ガレはその夜,ベルリン天文台の望遠鏡をルベリエの指示した方角に向け,海王星を発見した。
A similar drama-in which astronomers observe anomalous cosmic motions, deduce the presence of new matter and go out to hunt for it-is playing out again today in modern cosmology. In the role of Uranus, we see stars and galaxies moving in ways they should not; in the role of Neptune, we deduce the existence of hitherto unobserved substances, provisionally called dark matter and dark energy. 似たようなドラマ,つまり天文学者が変則的な宇宙の運動を観測して新しい物質の存在を推論し,それを探すというドラマが,今まさに現代宇宙論の分野で繰り広げられている。異常な運動をする星や銀河が天王星にあたる役を担い,海王星の役として未発見の物質の存在が推論されている。「暗黒物質」や「暗黒エネルギー」と呼ばれるものだ。
From the types of anomalies we see, we can glean a few basic facts about them. Dark matter seems to be a sea of invisible particles that fills space unevenly; dark energy is spread out uniformly and acts as if it is woven into the fabric of space itself. Scientists have yet to repeat Galle’s accomplishment of pointing an instrument at the sky and glimpsing the unseen players definitively, but tantalizing inklings, such as blips in particle detectors, continue to accumulate. 星や銀河の異常な運動から,暗黒物質と暗黒エネルギーについていくつかの基本的な事実がわかっている。暗黒物質は空間を非一様に満たしている大量の見えない粒子と考えられる。暗黒エネルギーは空間に一様に広がっており,空間という織物に編み込まれているかのように振る舞う。未発見の役者を観測装置で突き止めるというガレの業績を繰り返すところまでは到達できていないが,粒子検出器の信号などそれらの存在を暗示する観測結果が,集まり始めている。
From its discovery as a shadowy force on Uranus, Neptune proved to be a fascinating world in its own right. Might the same be true of dark matter and dark energy? Scientists are increasingly considering the possibility that dark matter, in particular, is not just a contrivance to account for the motion of visible matter but a hidden side of the universe with a rich inner life. It may consist of a veritable zoo of particles interacting through novel forces of nature-an entire universe interwoven silently with our own. 天王星に働く影の重力源として発見された海王星は,後にそれ自体が魅力的な存在であることがわかった。同じことが暗黒物質や暗黒エネルギーにもいえるだろうか? とりわけ暗黒物質は,単に見えている物質の運動を説明するのに必要な存在というだけでなく,それ自体に宇宙の根幹にかかわる興味深い側面が隠されているかもしれないと科学者は考えるようになっている。暗黒物質は自然界の新しい種類の力を介して相互作用する雑多な粒子の集まりからなり,それ自体が私たちの宇宙にひっそりと絡み合う1つの宇宙なのかもしれない。
These ideas are a shift from the long-held assumption that dark matter and dark energy are the most antisocial substances in the cosmos. Since astronomers first inferred the existence of dark matter in the 1930s, they have considered inertness its defining property. こうした考えは,暗黒物質や暗黒エネルギーを宇宙の最も非社交的な構成要素とする従来の認識を大きく転換するものだ。天文学者は1930年代に暗黒物質の存在を初めて予想して以来,その不活性さこそが暗黒物質の特徴だと考えてきた。
Observations suggest it outweighs ordinary matter by a factor of 6 to 1. Galaxies and galaxy clusters are embedded in giant balls, or “halos,” of dark matter. For such a mass of material to elude direct detection, astronomers reason that it has to consist of particles that scarcely interact with ordinary matter or, indeed, with one another. All they do is provide the gravitational scaffolding for luminous matter. 観測から,暗黒物質は通常の物質の6倍も存在していると考えられる。銀河や銀河団は巨大な球形の暗黒物質「ハロー」に取り囲まれている。にもかかわらず,暗黒物質が直接検出されないことから,天文学者はそれが通常の物質とほとんど相互作用せず,暗黒物質どうしもめったに相互作用しないと考えている。暗黒物質の役割は,光っている物質を重力的に支える足場を提供するだけだと。
Astronomers think the halos formed early on in cosmic history and then drew in ordinary matter, which, being capable of a rich range of behaviors, developed into intricate structures, while dark matter, being inert, remained in its primitive state. As for dark energy, its only role appears to be to accelerate cosmic expansion, and the available evidence indicates it has remained completely unchanged over the life of the cosmos. 暗黒物質ハローは宇宙の歴史の初期に作られ,通常の物質を引き寄せた。通常の物質はさまざまに反応して複雑な構造に発展した一方,暗黒物質はその不活性さのために初期の状態のまま残ったと天文学者は考えている。
 暗黒エネルギーに関しては,宇宙膨張を加速させることだけがその唯一の役割のように見える。そして,現在までに得られた証拠は,それが宇宙誕生以来まったく変化していないことを示している。
The prospect that dark matter might be rather more interesting is driven not so much by the field of astronomy but by detailed investigations of the inner workings of atoms and the world of subatomic particles. Particle physicists have a tradition of seeing glimmers of unknown forms of matter in the behavior of known matter, and their evidence is completely independent of cosmic motions. 暗黒物質がもっと興味深いものだというアイデアは,天文学の分野ではなく,原子の内部で起こる現象や素粒子の世界の詳しい研究がきっかけとなっている。素粒子物理学には,既知の物質の振る舞いの中に未知の形態の物質を見いだすという伝統があり,その論拠は宇宙の運動とはまったく関係ない。
In the case of dark matter, the train of thought began with the discovery of radioactive beta decay in the early 1900s. Italian theorist Enrico Fermi sought to explain the phenomenon by postulating a new force of nature and new force-carrying particles that caused atomic nuclei to decay. This new force was similar to electromagnetism and the new particles to photons, the particles of light-but with a key twist. 暗黒物質の素粒子物理学的探求は,1900年代初期の放射性ベータ崩壊の発見から始まった。イタリアの理論物理学者フェルミ(Enrico Fermi)は,この現象を,原子核の崩壊を引き起こす力と,力を媒介する未知の粒子の存在を仮定することで説明しようとした。その力は電磁気力に似ており,未知の粒子は光子に似たものだった。ただし,ある重要な点を除いては。
Unlike photons, which are massless and therefore highly mobile, Fermi argued that the new particles had to be heavy. Their mass would limit their range and account for why the force causes nuclei to fall apart but otherwise goes unnoticed. To reproduce the observed half-life of radioactive isotopes, they had to be quite heavy-around 100 times that of the proton, or about 100 giga-electron-volts, in the standard units of particle physics. 質量がなく,したがって非常に動きやすい光子とは異なり,その新しい粒子は重くなければならないとフェルミは主張した。質量があるために新しい力の到達距離は制限される。そのため,その力は原子核をばらばらにすること以外で私たちの目に留まることはない。放射性同位体の半減期の観測値を説明するには,新しい粒子は非常に重く,陽子の約100倍,素粒子物理学の標準的な単位を使えば100ギガ電子ボルトほどなければならなかった。
The new force is now known as the weak nuclear force and the hypothesized force-carrying particles are the W and Z particles, which were discovered in the 1980s. They are not dark matter themselves, but their properties hint at dark matter. A priori, they should not be so heavy. Their high mass suggests that something is acting on them-novel particles that cause them to take on mass like a friend who encourages you to give into temptation and eat another slice of cake. 現在,この力は「原子核の弱い力」,弱い力を媒介する粒子はW粒子,Z粒子と呼ばれている。W粒子とZ粒子は1980年代に発見された。W粒子とZ粒子は暗黒物質ではないが,その特性は暗黒物質のヒントを私たちに与えてくれる。W粒子とZ粒子は,本来それほど重くないはずだ。にもかかわらず,W粒子とZ粒子の質量が大きいことは,それらに働いている何か,つまり質量を持つ原因となる新たな粒子の存在を示唆する。
One goal of the Large Hadron Collider is to look for those particles, which should have masses comparable to those of the W and Z. Indeed, physicists think dozens of types of particles may be waiting to be discovered-one for each of the known particles, paired off in an arrangement known as supersymmetry. スイスのジュネーブ郊外にある大型ハドロン衝突型加速器LHCの目標の1つは,W粒子やZ粒子と同程度の質量を持つ粒子を探すことだ。実際,物理学者は,「超対称性」として知られる規則性に従い,既知の粒子と対をなすさまざまなパートナー粒子が発見されるのではないかと期待している。