非WIMP暗黒物質候補：フリンゴン、SIMP、非対称暗黒物質の理論と探索戦略
はじめに
宇宙の質量の約27%を占めるとされる暗黒物質は、現代物理学における最も重要な未解決問題の一つです。長らく、弱く相互作用する重い粒子であるWIMP（Weakly Interacting Massive Particle）が最も有力な候補として検討されてきました。WIMPは、その質量と相互作用の強さが標準模型の電弱スケールに位置し、初期宇宙における熱的生成メカニズムによって自然に観測される暗黒物質の存在量（レリックスケール）を説明できるという魅力的な特徴を有しています。しかしながら、世界中で行われているWIMPの直接探索、間接探索、および加速器を用いた探索実験は、未だ決定的な証拠を発見しておらず、その質量範囲に対する制限は日々厳しくなっています。
このような状況を受け、素粒子物理学の研究コミュニティでは、WIMP以外の新たな暗黒物質候補に対する関心が急速に高まっています。これらの非WIMP候補は、WIMPとは異なる生成メカニズムや相互作用特性を持つため、全く新しい探索戦略や観測手法を必要とします。本稿では、数ある非WIMP候補の中から、特に注目されているフリンゴン（Feebly Interacting Massive Particle: FIMP）、SIMP（Strongly Interacting Massive Particle）、および非対称暗黒物質（Asymmetric Dark Matter）に焦点を当て、それぞれの理論的背景と、現在の探索戦略における最新の動向について解説いたします。
フリンゴン（FIMP: Feebly Interacting Massive Particle）
フリンゴンは、非常に弱い相互作用を持つ重い粒子であり、標準的なWIMPの熱的生成シナリオとは異なる「非熱的生成」メカニズムによってその存在量が決定されるとされています。WIMPが初期宇宙の熱平衡状態において生成・消滅を繰り返した後、宇宙膨張により希薄化することでフリーズアウトするのに対し、フリンゴンは熱平衡に達することなく、主に標準模型粒子からの崩壊や散乱を通じて徐々に生成されます。このメカニズムは「レリックスケール・ジェネシス」や「フリーズイン」と呼ばれ、フリンゴンが標準模型粒子と非常に弱い相互作用しか持たないことを前提としています。
理論的背景と特徴
フリンゴンの相互作用の弱さは、WIMPモデルでは説明が困難な非常に軽い暗黒物質や、特定のゲージ対称性のもとでの自然な相互作用の起源を持つ暗黒物質モデルと整合する場合があります。例えば、新たなゲージボソンを介して標準模型粒子と非常に弱く結合する暗黒物質などが考えられます。この弱い相互作用のために、フリンゴンは直接検出実験で観測することは極めて困難であり、その探索は主に間接的な手法に依存することになります。
探索戦略
フリンゴンの探索は、主にその崩壊生成物や宇宙論的な影響を通じて行われます。
- 間接探索: フリンゴンが不安定であり、非常に長い寿命を持つ場合、その崩壊生成物（例: ガンマ線、ニュートリノ、荷電粒子）が宇宙線やガンマ線望遠鏡（例: Fermi-LAT, H.E.S.S., CTA）によって検出される可能性があります。
- 宇宙論的観測: 初期宇宙におけるフリンゴンの生成や崩壊が、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のスペクトルや宇宙の大規模構造形成に微細な影響を与える可能性があり、Planck衛星や将来のCMB実験、大規模構造サーベイ（例: LSST）による精密観測からその痕跡を探る試みが進められています。
SIMP（Strongly Interacting Massive Particle）
SIMPは、WIMPとは対照的に、自身の間で比較的強い相互作用を持つ暗黒物質候補です。この概念は、銀河中心の暗黒物質ハローにおいて観測される「コア-カスプ問題」や「太りすぎ衛星問題」といった小規模構造の課題を解決する可能性を秘めていることから注目されています。これらの問題は、コールド暗黒物質（CDM）モデルの数値シミュレーションで予測される暗黒物質密度の中心への集中（カスプ構造）が、矮小銀河の観測で示されるより平坦な密度分布（コア構造）と食い違うことなどを指します。SIMPは自己相互作用により運動量やエネルギーを交換し、ハロー中心部の密度を平坦化する可能性があります。
理論的背景と特徴
SIMPモデルでは、暗黒物質粒子間の相互作用断面積がバリオン間の相互作用断面積と同程度、あるいはそれ以上であると考えられます。この強い自己相互作用が、宇宙の大規模構造形成における暗黒物質の分布に影響を与え、観測との整合性を高める可能性があります。SIMPの生成メカニズムとしては、主に「3-to-2」散乱と呼ばれる過程が検討されています。これは、3つのSIMP粒子が衝突して2つのSIMP粒子に変化し、余剰のエネルギーを標準模型粒子に与えることで、初期宇宙のSIMPの数が減少するフリーズアウトのシナリオです。
探索戦略
SIMPの探索は、主に宇宙論的観測と、一部の直接検出実験の可能性に依存します。
- 宇宙論的・天体物理学的観測: 銀河ハローの構造、銀河衝突の際の暗黒物質の動態（例: 弾丸銀河団）、暗黒物質密度のプロファイルなど、大規模構造形成に与える影響を観測することで、SIMPの自己相互作用断面積に制限を与えることができます。
- 直接検出実験: 自己相互作用が強いSIMPは、核との相互作用も比較的強い可能性があります。しかし、その相互作用の性質や質量によっては、既存のWIMP検出器では感度が不足する場合や、信号が異なるパターンを示す可能性があります。新たな検出器設計や解析手法の開発が課題となります。
非対称暗黒物質（Asymmetric Dark Matter: ADM）
非対称暗黒物質は、宇宙における暗黒物質の存在量が、バリオンの存在量と同様に、暗黒物質と反暗黒物質の非対称性によって決定されるという考え方に基づいています。標準模型では、初期宇宙でバリオンと反バリオンがほぼ等量生成された後、バリオン数の非保存過程によってわずかなバリオン過剰が生じ、それが現在の物質宇宙を構成していると考えられています（バリオン非対称性）。ADMモデルでは、同様のメカニズムが暗黒物質セクターにも存在し、バリオン非対称性と暗黒物質の非対称性が共通の起源を持つ可能性を提示します。
理論的背景と特徴
ADMモデルの魅力は、バリオンと暗黒物質の存在量比が約5:1であるという観測事実を、偶然の一致ではなく、共通の物理的起源から説明できる点にあります。このモデルでは、現在の宇宙には暗黒物質粒子のみが存在し、反暗黒物質粒子はほとんど存在しないとされます。これにより、WIMPモデルで想定されるような、現在の宇宙における暗黒物質同士の消滅過程（間接探索のターゲット）は極めて稀であるか、存在しないことになります。
探索戦略
ADMの探索は、その特徴的な性質に基づいています。
- 直接検出実験: ADM粒子は核と相互作用する可能性がありますが、その相互作用断面積はWIMPと同様にモデルに依存します。ただし、現在の宇宙に反暗黒物質が存在しないため、消滅過程による間接検出は期待できません。
- 加速器実験: バリオンと暗黒物質の非対称性を同時に生成するメカニズムを検証するために、加速器を用いた実験で新たな中間粒子や相互作用を探索する可能性があります。
- 中性子星における探索: 中性子星の中心部に暗黒物質が捕獲・蓄積されると、その質量の増加や進化に影響を与え、中性子星の冷却過程や構造変化として観測される可能性があります。ADMは自己消滅しないため、大量に蓄積されやすく、この観測チャネルが特に重要であると考えられています。
共通の課題と今後の展望
フリンゴン、SIMP、非対称暗黒物質といった非WIMP候補は、それぞれ異なる物理的起源と探索戦略を持つため、WIMP探索とは異なるアプローチが求められます。これらの候補の探索は、理論的研究と実験・観測の多角的な連携が不可欠です。
- 理論的研究の深化: 各モデルのさらなる精密化、既存の物理現象との整合性の検証、そして新たな探索プローブの提案が重要です。特に、標準模型を超える新たな相互作用や粒子セクターの導入が、これらのモデルでは不可避であり、その現象論的な予言を明確にすることが求められます。
- 実験・観測技術の進展: 直接検出実験は、より軽い質量範囲や、極めて弱い相互作用に対する感度向上を目指すとともに、SIMPやADMの特性に特化した新たな検出原理の開発が期待されます。また、宇宙マイクロ波背景放射、大規模構造、ガンマ線やニュートリノ観測といった天体物理学的観測は、精密化が進むことで、これらの非WIMPモデルに対する強力な制限を与える、あるいは証拠を捉える可能性があります。
- 多角的アプローチの統合: 加速器実験、直接検出実験、間接検出（天体物理観測）、そして宇宙論的観測という、異なる手法からの情報を統合することで、暗黒物質の正体に迫る可能性が高まります。例えば、ある探索が特定のパラメータ空間を除外した場合、別の探索が残りのパラメータ空間をカバーするといった相補的な関係が重要です。
結論
標準WIMPモデルの探索が続く一方で、非WIMP暗黒物質候補への注目は、現代物理学が直面する暗黒物質の謎に対する理解を深める上で不可欠な方向性を示しています。フリンゴン、SIMP、非対称暗黒物質は、それぞれが独自の理論的魅力と探索の難易度を有していますが、これらの研究を通じて、私たちは宇宙の根本的な構成要素と、標準模型を超える新たな物理法則の解明に一歩ずつ近づいていると言えるでしょう。今後、理論と実験・観測の相互作用がさらに活発化することで、暗黒物質の正体に関する決定的な発見がもたらされることを期待しております。