コールドダークマター

コールドダークマター（CDM）

定義と性質

コールドダークマター（英: cold dark matter; CDM）は、「冷たい暗黒物質」とも呼ばれる、宇宙論において仮定されている未知の物質です。宇宙に存在する物質の約8割を占めるとされる暗黒物質の一種であり、電磁相互作用をほとんど、あるいは全く行わないため、光を放出したり吸収したりせず、望遠鏡で見ることができません。その存在は、主に重力的な影響を通じて推測されています。

「コールド（冷たい）」という名称は、その粒子が持つ運動のエネルギーが、静止質量エネルギーに比べて極めて小さい、すなわち、粒子が光速に比べて非常にゆっくりと運動する性質を持つことに由来します。これは、相対論的な速度で運動する「熱い暗黒物質（HDM）」と対比される重要な特徴です。HDMのような速度の速い粒子は、宇宙初期の小さな密度の偏りをその慣性で「擦り潰して」しまう傾向があるのに対し、CDMのような遅い粒子は、初期のわずかな重力的な不安定性から構造を成長させるのに適しています。

宇宙の構造形成における役割

コールドダークマターの概念は、現在の宇宙に見られる銀河や銀河団といった大規模な構造が、どのようにして形成されたかを説明するために導入されました。標準的な宇宙モデルであるΛ-CDMモデル（ラムダ・CDMモデル）では、宇宙の大部分はダークエネルギー（Λ）、コールドダークマター（CDM）、そして通常の物質（バリオン物質）で構成されていると考えられています。

このモデルにおいて、宇宙初期に存在したごくわずかな密度の不均一性（密度揺らぎ）が、現在の宇宙に広がる網状の巨大な構造、すなわち宇宙の大規模構造を形作る上で、コールドダークマターが決定的な役割を果たしたとされています。通常のバリオン物質は、宇宙マイクロ波背景放射として観測されるように、宇宙の膨張によって密度揺らぎが均一化される傾向があります。しかし、電磁相互作用を行わないコールドダークマターは、このような圧力による均一化の影響を受けにくく、初期の密度揺らぎが重力によって成長するための「足場」となりました。CDMが集まる領域にバリオン物質が引き寄せられ、やがて銀河や銀河団へと進化していったと考えられています。コールドダークマターがなければ、現在の宇宙に見られるような構造は、短い宇宙の年齢の中で形成され得なかったとされています。

その正体を探して

コールドダークマターが宇宙の構造形成において重要な役割を担っているというシナリオは、多くの観測データをうまく説明できます。しかし、その正体である粒子は、いまだに直接検出されていません。

コールドダークマターの候補としては、様々な未発見の素粒子が挙げられています。例えば、超対称性理論（SUSY）で予測される最も軽い超対称性粒子であるLSP（ニュートラリーノなど）、軸対称性を破る際に現れる仮想粒子であるアクシオン、ヒッグス粒子のパートナーとされるヒッグシーノなどが有力視されています。これらの粒子は、極めて弱い相互作用しか持たないと考えられており、それが暗黒物質の観測されにくさと整合的であるためです。

現在、地下深くに設置された検出器を用いた直接探索実験や、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を用いた生成実験、あるいは宇宙からの間接的な信号を探す観測など、様々なアプローチでコールドダークマターの正体に迫る試みが世界中で行われています。

関連概念

コールドダークマターを理解する上では、広義の暗黒物質や、速度の速い熱い暗黒物質といった概念と比較することが有効です。これらの概念は、宇宙の未知なる構成要素を探求する現代宇宙論において、相互に関連しながら議論されています。

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