イスラエル、イタリア、クロアチアの科学者チームが、将来の暗黒物質の最も軽い形態の探索を、現在の方法よりも最大1000倍感度を高める可能性のある既存の3つの材料を特定した。

暗黒物質は、科学者が宇宙の全物質の約85％を占めると考えている目に見えない物質である。光を放出、吸収、反射しないため見えないが、銀河やその他の宇宙構造への重力作用を通じて間接的にその存在が検出される。数十年間の探索にもかかわらず、暗黒物質粒子を直接検出した実験は一度もない。

Jerusalem、2026年9月15日（TPS-IL）―イスラエル、イタリア、クロアチアの科学者チームが、将来の暗黒物質の最も軽い形態の探索を、現在の方法よりも最大1000倍感度を高める可能性のある既存の3つの材料を特定した。

暗黒物質は、科学者が宇宙の全物質の約85％を占めると考えている目に見えない物質である。光を放出、吸収、反射しないため見えないが、銀河やその他の宇宙構造への重力作用を通じて間接的にその存在が検出される。数十年間の探索にもかかわらず、暗黒物質粒子を直接検出した実験は一度もない。

査読付き学術誌『Physical Review Letters』に掲載された今回の研究は、暗黒物質を発見したと主張するものではない。その代わりに、研究者たちはコンピューターモデリングを用いて、3つの特殊な材料が、暗黒物質が通常の物質と相互作用する際に残すと予想される極めて微弱なエネルギー信号を、将来の検出器がはるかに容易に捉えられるようにする可能性があると計算した。

この研究は、Jerusalemのヘブライ大学のヨニト・ホッホバーグ教授とロテム・オバディア氏、クロアチア物理学研究所のディーノ・ノフコ博士、イタリア中部ラクイラ大学のアントニオ・ポリターノ教授によって実施された。

珍しい材料、珍しい感度

3つの材料は「量子材料」として知られている。これは、その電気的挙動が量子力学的効果によって支配され、高感度検出器の構築に有用な珍しい特性を持つ物質である。それらは、二セレン化チタン、ロジウム酸ストロンチウム、そして化学的に改変された（「ホールドーピング」と呼ばれるプロセス）ダイヤモンドである。

3つの材料はいずれも新しくも珍しいものではなく、既存の実験室技術ですでに製造可能である。

新しいのは、コンピューターシミュレーションを通じて、特に捉えにくいカテゴリーの暗黒物質、すなわちほとんどの既存実験が検出するように設計されているものよりもはるかに軽い粒子を捉えるのに、異常に適している可能性があるという発見である。

軽い粒子は検出器に衝突する際にわずかなエネルギーしか deposit しないため、捉えるのがはるかに困難である。ほとんどの現在の装置は、それらを感知するのに十分な感度を持っていない。物理学者はしばしば、電子ボルトという単位で粒子の質量を表現し、研究者は特に約1メガ電子ボルト未満の軽い粒子に興味を持っている。これは、原子核を構成する粒子の一つである陽子の質量の約2000分の1に相当する。この程度の軽さの粒子は、既存の技術では検出が特に困難であると考えられている。

3つの材料のうち、二セレン化チタンはシミュレーションで最も顕著な結果を示し、関与する正確な粒子質量に応じて、現在暗黒物質探索に使用されている材料と比較して、検出器の感度を100倍から1000倍向上させる可能性がある。研究者によると、鍵はこれらの材料内部の電子の動きにあるという。

特定の条件下では、材料中の電子は協調的な波のようなパターンで一緒に振動することができる。これは物理学者が「プラズモン」と呼ぶ現象である。この研究は、これらの微細な集団振動が、暗黒物質粒子が生成する極めて微弱な信号を増幅し、検出を容易にする可能性があることを示唆している。

暗黒物質の「コンパス」

研究者たちはまた、偽の信号をフィルタリングするのに役立つ可能性のあるものも発見した。2つの材料、すなわち二セレン化チタンとロジウム酸ストロンチウムは、暗黒物質粒子が到来する方向に応じて異なる反応を示す。

地球が回転するため、実験室の検出器と暗黒物質が到来すると予想される方向との角度は、1日の間に変化する。検出器が実際に本物の暗黒物質信号を捉えた場合、その信号は予測可能な日周パターンで強度が変化するはずである。これは、科学者が本物の検出を背景ノイズや誤報と区別するのに役立つコンパスのように機能する。

研究者たちは、今回の発見はコンピューターモデリングに基づいた理論的な予測であり、実際の暗黒物質の検出ではないことを強調した。次のステップは、これらの材料を使用した実際の検出器を構築し、予測を実験的にテストすることである。

研究者たちは、「我々の結果は、次世代暗黒物質（DM）検出器の構成要素として、これらの材料および類似材料の探求を奨励するものである」と述べ、さらに、まだ調査されていない他の量子材料も、探索のために同様の未開発の可能性を秘めている可能性があると付け加えた。