ダークマター、宇宙で最も愛される不可視の謎は、通常、重力にのみ反応する物質として説明される。しかし、科学者たちは単純な話に満足せず、より複雑な可能性を探っている：ダークマター粒子は、独自の隠れた力を介して相互作用するかもしれない。『宇宙論・宇宙粒子物理学ジャーナル』（JCAP）に掲載された新しい研究は、ダークマターが追加の引力を経験した場合に何が起こるかを調べた。結果は驚くほど直感に反するものだった：その力はダークマターをより効率的に集めるが、通常は宇宙構造の成長を加速しない。むしろ、その成長を遅らせる傾向がある。

なぜ科学者たちは「ダークフォース」を検討しているのか？それは、宇宙の非常に精密な観測が、常に完全に一致するとは限らない結果を生み出しているからだ。宇宙の膨張と銀河や他の大規模構造の発展の測定は、時折、わずかに異なる物語を語っているように見える。遠方宇宙のいくつかの観測は、膨張が標準的な宇宙論モデルが予測するよりも過去にやや遅かった可能性を示唆している。一方、宇宙マイクロ波背景放射の研究は、長い間、物質が宇宙の最大スケールで予想よりも密に集まっている可能性を示唆してきた。これらの違いは比較的小さいが、科学者たちに標準的な宇宙論モデルが重要な要素を欠いているかもしれないと問いかけさせている。

一つの可能性は、ダークマター粒子が通常の物質には検出できない追加の力を感じることである。その相互作用はダークマターセクター内でのみ作用するため、研究者はそれを「ダークフォース」と呼ぶ。そのような相互作用は、宇宙の膨張と銀河やより大きな宇宙構造の形成の両方に影響を与える可能性がある。「ダークマターについて実際に知っていることは、これまでのところ重力効果を通じてのみ学ばれてきた」と、この研究の責任著者であり、ペリメーター理論物理学研究所の研究者であるザッカリー・ワイナー氏は言う。「それは、ダークマターが通常の物質には隠された追加の相互作用を持つ可能性を残している。」

研究チームは、ダークマター粒子が重力に加えて長距離力を介して相互作用する理論モデルのグループを調査した。理論計算と宇宙論的データを用いて、科学者たちはこの隠れた相互作用が宇宙膨張の歴史と大規模構造の成長にどのように影響するかを研究した。最初は、期待される結果は単純に見える：ダークマター粒子が別の力を介して互いに引き付け合うなら、それらはより速く塊に集まるはずだ。その強いクラスタリングは、宇宙が予測よりも高密度の構造を含むことを示唆する観測を説明するようにも見えるかもしれない。「最初に期待することは、ダークマターに追加の引力を与えると構造がより速く成長するはずだということです」とワイナー氏は言う。「しかし、同時に別の効果が作用します。」

研究者が調べたモデルでは、追加の力は確かにダークマターをより効果的にクラスタリングさせる。しかし、それは宇宙が膨張するにつれてダークマターの挙動も変える。同じプロセスにより、ダークマター粒子は時間の経過とともに実質的に質量を失う。この減少はそれらの重力の影響を弱め、隠れた力によって生じる強い引力を相殺する。その結果、強化されたクラスタリングは宇宙マイクロ波背景放射に強い重力の痕跡を作り出さない。ほとんどの場合、複合効果は実際に宇宙構造の成長を抑制する。

この発見は、ダークマターだけを超えた理論にとって重要かもしれない。ダークエネルギー分光装置（DESI）の最近の測定に対して提案されたいくつかの説明は、ダークマター粒子間の同様の相互作用を含む。研究者によると、新たに特定されたメカニズムは、それらのより複雑なモデルの多くに影響を与える可能性が高い。