重力波は、宇宙の初期において暗黒物質の生成に重要な役割を果たした可能性があると、マインツ大学ヨハネス・グーテンベルク大学（JGU）およびPRISMA++クラスター・オブ・エクセレンスのヨアヒム・コップ教授と、スウォンジー大学のアザデ・マレクネジャド博士による新しい研究が示唆している。Physical Review Lettersに掲載されたこの研究は、いわゆる確率的重力波が暗黒物質を生み出す可能性がある、これまで未開拓のプロセスを指し示す新しい計算を紹介している。
この研究は、素粒子物理学における最大の未解決問題の一つに取り組んでいる。私たちが見ることができるすべてのもの、惑星、星、地球上の生命を含むものは、可視物質でできているが、それは宇宙のわずか約4パーセントに過ぎない。宇宙の大部分は未だ見えず、暗黒物質と暗黒エネルギーで構成されている。暗黒物質だけでも宇宙の約23パーセントを占める。
観測によれば、暗黒物質は宇宙全体に広がり、銀河や最大の宇宙構造を形成している。その巨大な影響にもかかわらず、科学者たちは暗黒物質が何でできているのかまだ知らない。その正体を明らかにするために、多くの理論や実験が進行中である。
重力波は、ブラックホールや中性子星の衝突など、宇宙で最もエネルギッシュな現象によって生み出される時空のさざ波である。しかし、すべての重力波がそんな劇的な現象から来るわけではない。確率的重力波と呼ばれる別のタイプは、大質量天体を伴わない様々なプロセスから生じる。
これらの波ははるかに弱く、宇宙を満たす背景信号の一部を形成する。その多くは非常に古く、ビッグバン直後の初期段階にまで遡る。宇宙が冷えるにつれての相転移や、原始磁場など、宇宙史の重要な瞬間に生成された可能性がある。
「この論文では、初期宇宙に遍在していたと考えられる重力波が、部分的に暗黒物質粒子に変換される可能性を調査しています」とコップ教授は説明する。「これは、これまで研究されていなかった暗黒物質生成の新しいメカニズムにつながります。」
この研究は、これらの初期の重力波が、当初は質量がほとんどまたはまったくなかったフェルミオンを生成した可能性があることを示唆している。フェルミオンは、電子、陽子、中性子などの身近な例を含む広範な粒子のクラスである。研究者によれば、これらの初期のフェルミオンは後に質量を獲得し、今日存在する暗黒物質粒子へと進化した可能性がある。
「この研究の次のステップは、解析的な推定を超えて、数値計算を行い予測の精度を向上させることです。将来の研究のもう一つの方向性は、初期宇宙における重力波のさらなる可能な効果の調査です。その一例として、よく知られている粒子と反粒子の生成量の差を説明できるメカニズムが考えられます」とコップ教授は述べている。