超対称性粒子と宇宙論：理論から宇宙の謎へ

目次

1. はじめに：超対称性理論の基礎
2. 超対称性粒子の特性と予言
3. 初期宇宙における超対称性粒子の役割
4. 暗黒物質候補としての超対称性粒子
5. 超対称性粒子探索の現状と将来展望

はじめに：超対称性理論の基礎

現代物理学の最前線では、宇宙の根本的な法則を解明しようとする壮大な挑戦が続いています。その中心にあるのが、「超対称性理論」と呼ばれる革命的な概念です。この理論は、私たちの宇宙を構成する基本粒子とその相互作用を、より深いレベルで統一的に理解しようとする試みです。

超対称性理論は、1970年代に提唱されて以来、理論物理学の分野で大きな注目を集めてきました。その核心にあるのは、すべての基本粒子には「超対称パートナー」が存在するという驚くべき予言です。この理論が正しければ、私たちの宇宙には、まだ発見されていない多くの新粒子が存在することになります。

超対称性とは何か？

超対称性（SUSY：Supersymmetry）は、フェルミオン（物質を構成する粒子）とボソン（力を媒介する粒子）の間に存在する対称性を指します。この理論によると、すべてのフェルミオンにはボソンの超対称パートナーが、すべてのボソンにはフェルミオンの超対称パートナーが存在するはずです。

例えば：

• 電子（フェルミオン）には「選択子」（スカラー電子）というボソンのパートナーがあります。
• 光子（ボソン）には「光子イーノ」というフェルミオンのパートナーがあります。

これらの超対称パートナー粒子は、元の粒子と同じ質量を持つはずですが、スピンが1/2だけ異なります。

超対称性理論の魅力

超対称性理論が物理学者たちを魅了する理由は多岐にわたります：

1. 大統一理論への道：超対称性は、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を統一する大統一理論（GUT）の実現を可能にする可能性があります。
2. 階層性問題の解決：標準模型における「階層性問題」（ヒッグス粒子の質量が自然に説明できない問題）に対する解決策を提供します。
3. 暗黒物質の候補：最も軽い超対称粒子（LSP：Lightest Supersymmetric Particle）は、宇宙の暗黒物質の有力な候補となります。
4. 重力の量子化：超対称性は、量子力学と一般相対性理論を統一する「量子重力理論」の構築に不可欠な要素となる可能性があります。

標準模型と超対称性

現在の素粒子物理学の基礎となっているのは「標準模型」です。この理論は、これまでに発見されたほぼすべての素粒子とその相互作用を説明することに成功しています。しかし、標準模型にはいくつかの欠点があります：

• 重力を含めることができない
• 暗黒物質を説明できない
• ニュートリノの質量を自然に説明できない

超対称性理論は、これらの問題に対する解決策を提供する可能性があります。標準模型の各粒子に超対称パートナーを追加することで、理論をより完全なものにすることができるのです。

超対称性粒子の命名法

超対称性理論では、標準模型の粒子に対応する超対称パートナーの名前は、以下のルールで付けられています：

• フェルミオンの超対称パートナー（スカラー粒子）：元の粒子名の前に「ス」をつける
  例：電子 → 選択子（スカラー電子）、クォーク → スクォーク
• ボソンの超対称パートナー（フェルミオン）：元の粒子名に「イーノ」をつける
  例：光子 → 光子イーノ、W粒子 → Wイーノ
• ヒッグス粒子の超対称パートナー：ヒグシーノ

この命名法により、超対称性理論で予言される新粒子を系統的に整理することができます。

超対称性の破れ

超対称性理論の大きな課題の一つは、なぜ超対称粒子がまだ発見されていないのかを説明することです。理論的には、超対称パートナーは対応する標準模型の粒子と同じ質量を持つはずですが、実験ではそのような粒子は観測されていません。

この問題を説明するために、物理学者たちは「超対称性の破れ」という概念を導入しました。この考えによると、超対称性は宇宙の極めて初期の高エネルギー状態では成り立っていましたが、宇宙の冷却とともに「破れ」、超対称粒子は標準模型の粒子よりもはるかに重くなったとされています。

超対称性の破れのメカニズムを解明することは、現代の理論物理学における最重要課題の一つです。様々な破れのシナリオが提案されていますが、その詳細はまだ完全には理解されていません。

超対称性理論の実験的検証

超対称性理論の美しさと理論的な魅力にもかかわらず、その正しさを実験的に証明することは非常に困難です。現在、以下のような方法で超対称性粒子の探索が行われています：

1. 高エネルギー加速器実験：欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などを用いて、高エネルギー粒子衝突実験を行い、超対称粒子の直接生成を試みています。
2. 暗黒物質探索実験：地下実験施設などで、宇宙からやってくる暗黒物質粒子（最も軽い超対称粒子の候補）の検出を試みています。
3. 宇宙観測：宇宙線や宇宙背景放射の精密観測を通じて、超対称性粒子の痕跡を探しています。

これらの実験は、超対称性理論の検証だけでなく、宇宙の起源や進化に関する新たな知見をもたらす可能性を秘めています。

以上が、超対称性理論の基礎と、それが現代物理学において占める重要な位置づけの概要です。次の章では、超対称性粒子の具体的な特性と、それらが宇宙論にどのような影響を与えるかについて、より詳しく見ていきます。

超対称性粒子の特性と予言

超対称性理論は、私たちの宇宙に存在する粒子の数を倍増させる壮大な予言を行います。この章では、これらの新しい粒子の特性と、それらが物理学や宇宙論にもたらす影響について詳しく見ていきます。

超対称性粒子の種類

超対称性理論によって予言される粒子は、大きく以下のカテゴリーに分類されます：

1. スフェルミオン（Sfermions）

• スクォーク（Squarks）：クォークの超対称パートナー
• スレプトン（Sleptons）：レプトンの超対称パートナー
  • 選択子（Selectrons）：電子の超対称パートナー
  • スミューオン（Smuons）：ミューオンの超対称パートナー
  • スタウ（Staus）：タウ粒子の超対称パートナー
  • スニュートリノ（Sneutrinos）：ニュートリノの超対称パートナー

1. ゲージーノ（Gauginos）

• グルイーノ（Gluinos）：グルーオンの超対称パートナー
• ウィーノ（Winos）：W粒子の超対称パートナー
• ビーノ（Bino）：B粒子（電弱相互作用のゲージボソン）の超対称パートナー
• 光子イーノ（Photino）：光子の超対称パートナー

1. ヒグシーノ（Higgsinos）

• ヒッグス粒子の超対称パートナー

1. 重力子の超対称パートナー

• グラビティーノ（Gravitino）：重力子の超対称パートナー

これらの粒子は、それぞれ独自の特性を持ち、宇宙の様々な現象に影響を与える可能性があります。

超対称性粒子の特性

超対称性粒子は、対応する標準模型の粒子と多くの特性を共有しますが、いくつかの重要な違いがあります：

1. スピン
   超対称性粒子は、対応する標準模型の粒子とスピンが1/2だけ異なります。例えば、スピン1/2のフェルミオン（電子など）の超対称パートナーは、スピン0のボソンになります。
2. 質量
   理想的な超対称性の下では、超対称粒子は対応する標準模型の粒子と同じ質量を持つはずです。しかし、超対称性の破れにより、実際には超対称粒子の質量は標準模型の粒子よりもはるかに大きいと考えられています。
3. 電荷
   超対称性粒子は、対応する標準模型の粒子と同じ電荷を持ちます。これは、電磁相互作用に関して同じ振る舞いをすることを意味します。
4. R-パリティ
   超対称性理論では、「R-パリティ」と呼ばれる新しい量子数が導入されます。標準模型の粒子はR-パリティが+1、超対称性粒子はR-パリティが-1となります。この量子数は、粒子の振る舞いや安定性に重要な影響を与えます。
5. 相互作用
   超対称性粒子は、標準模型の粒子と似た相互作用をしますが、その強さや詳細な性質は異なる場合があります。

超対称性粒子の予言と影響

超対称性理論は、多くの興味深い予言を行い、様々な物理学の問題に新しい視点を提供します：

1. 階層性問題の解決
   超対称性粒子の存在は、標準模型における「階層性問題」（ヒッグス粒子の質量が自然に説明できない問題）に対する解決策を提供します。超対称性パートナーからの量子補正が、ヒッグス粒子の質量を自然な値に保つ役割を果たすと考えられています。
2. ゲージ結合定数の統一
   超対称性理論の枠組みでは、高エネルギースケールにおいて電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用の結合定数が一点で交わることが示されています。これは、これらの力が元々一つの力から分岐したという「大統一理論」の考えを支持します。
3. 暗黒物質候補
   R-パリティが保存される場合、最も軽い超対称性粒子（LSP）は安定で、暗黒物質の有力な候補となります。多くの場合、この粒子は「ニュートラリーノ」（ビーノ、ウィーノ、ヒグシーノの混合状態）だと考えられています。
4. プロトンの安定性
   R-パリティの保存は、プロトンの崩壊を禁止し、プロトンが非常に長寿命である観測事実を自然に説明します。
5. ミューオンの異常磁気モーメント
   超対称性粒子の存在は、ミューオンの異常磁気モーメントの測定値と理論値のわずかな不一致を説明できる可能性があります。
6. 宇宙のバリオン数非対称性
   超対称性理論の枠組みでは、宇宙初期に起こったとされるバリオン数生成のメカニズムをより自然に説明できる可能性があります。
7. インフレーション理論への影響
   超対称性粒子は、宇宙初期のインフレーション期に重要な役割を果たした可能性があります。特に、超対称性理論から導かれる新しいスカラー場（インフラトン）が、インフレーションを引き起こしたと考えられています。

超対称性粒子の実験的探索

超対称性粒子の探索は、現代の素粒子物理学実験の主要な目標の一つです。主な探索方法には以下のようなものがあります：

1. 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での直接生成
   LHCでの高エネルギー陽子-陽子衝突実験では、超対称性粒子が直接生成される可能性があります。特に、グルイーノやスクォークの生成が期待されています。
2. 消滅過程の探索
   暗黒物質粒子（LSP）の対消滅によって生じる高エネルギーガンマ線や反粒子を探索します。
3. 精密測定
   既知の粒子の性質（例：ミューオンの異常磁気モーメント）を精密に測定し、超対称性粒子の間接的な影響を探ります。
4. 宇宙線観測
   高エネルギー宇宙線中に、超対称性粒子の痕跡を探索します。
5. 暗黒物質直接探索実験
   地下実験施設などで、宇宙からやってくる暗黒物質粒子（LSP）と通常物質の相互作用を直接検出しようとします。

これまでのところ、超対称性粒子の明確な証拠は見つかっていませんが、探索は続けられています。実験の感度が向上し、より高いエネルギースケールでの探索が可能になれば、超対称性粒子の発見につながる可能性があります。

超対称性粒子の発見は、物理学に革命をもたらすでしょう。それは、私たちの宇宙の基本法則に関する理解を大きく進展させ、素粒子物理学と宇宙論の新しい時代の幕開けとなるはずです。次の章では、これらの粒子が初期宇宙でどのような役割を果たしたかについて詳しく見ていきます。

初期宇宙における超対称性粒子の役割

宇宙の誕生から現在に至るまでの歴史を理解することは、現代宇宙論の中心的な課題です。超対称性理論は、この宇宙進化のシナリオに新たな視点を提供し、特に宇宙の最初期における重要な役割を果たした可能性があります。この章では、初期宇宙における超対称性粒子の役割について詳しく見ていきます。

宇宙の時間軸と超対称性

宇宙の歴史を振り返る際、以下のような時間軸を考えることができます：

1. プランク時代（〜10^-43秒）
2. 大統一理論（GUT）の時代（10^-43秒〜10^-36秒）
3. インフレーション期（10^-36秒〜10^-32秒）
4. 電弱対称性の破れ（10^-12秒）
5. クォーク・ハドロン転移（10^-6秒）
6. ビッグバン核合成（1秒〜3分）
7. 宇宙の晴れ上がり（38万年）

超対称性理論は、特にこの時間軸の前半部分（プランク時代からインフレーション期まで）において重要な役割を果たすと考えられています。

プランク時代と超対称性

プランク時代は、宇宙の誕生直後の極めて短い期間を指します。この時代、宇宙のエネルギー密度はプランクスケール（約10^19 GeV）に達していたと考えられています。このような極限的な状況下では、重力を含むすべての基本的な力が統一されていた可能性があります。

超対称性理論は、このプランクスケールでの物理を記述する上で重要な役割を果たします：

1. 重力の量子化：超対称性は、重力を含む統一理論（超弦理論など）の基礎となる可能性があります。これにより、量子力学と一般相対性理論の矛盾を解決できる可能性があります。
2. 次元の圧縮：超弦理論では、我々の住む4次元時空の他に、6つの余剰次元の存在が予言されます。超対称性は、これらの余剰次元をコンパクト化（巻き込む）するメカニズムを提供します。
3. 真空のエネルギー：超対称性は、真空のエネルギー（宇宙定数）をゼロに保つ可能性があります。これは、現在観測されている非常に小さな正の宇宙定数を説明する上で重要な手がかりとなるかもしれません。

大統一理論（GUT）の時代と超対称性

大統一理論の時代は、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用が単一の力として統一されていた時期を指します。超対称性理論は、この大統一に重要な役割を果たします：

1. ゲージ結合定数の統一：超対称性理論の枠組みでは、三つの力の結合定数が高エネルギースケール（約10^16 GeV）で自然に一致します。これは、大統一理論の強力な証拠となります。
2. プロトンの寿命：超対称大統一理論は、プロトンの寿命を予言します。R-パリティの保存により、標準的な大統一理論よりも長いプロトンの寿命が予測され、現在の実験結果とよく一致します。
3. バリオン数生成：超対称性粒子の崩壊過程は、宇宙のバリオン数非対称性（物質と反物質の非対称性）を生成するメカニズムを提供する可能性があります。

インフレーション期と超対称性

インフレーション理論は、宇宙の極初期に起こった急激な膨張を説明する理論です。超対称性理論は、インフレーションのメカニズムに新しい視点を提供します：

1. インフラトン場：超対称性理論から自然に導かれるスカラー場（インフラトン）が、インフレーションを引き起こした可能性があります。これらの場は、超対称性の破れと関連している可能性があります。
2. スローロール条件：超対称性理論は、インフレーションに必要な「スローロール条件」（ゆっくりとしたインフラトン場の変化）を自然に満たすポテンシャルを提供します。
3. リヒーティング：インフレーション終了後の宇宙の再加熱（リヒーティング）過程において、超対称性粒子の生成と崩壊が重要な役割を果たした可能性があります。

電弱対称性の破れと超対称性

電弱対称性の破れは、電磁相互作用と弱い相互作用が分離する過程を指します。超対称性理論は、この過程に重要な影響を与えます：

1. ヒッグス機構：超対称性理論では、最小でも2つのヒッグス二重項が必要です。これにより、電弱対称性の破れのメカニズムがより豊かになります。
2. 電弱スケールの安定化：超対称性粒子からの量子補正により、ヒッグス粒子の質量が自然な値（電弱スケール）に保たれます。これは、階層性問題の解決につながります。
3. 暗黒物質の生成：電弱対称性の破れの際に、最も軽い超対称性粒子（LSP）が熱的に生成された可能性があります。これが現在の暗黒物質の起源となっている可能性があります。

初期宇宙の熱史と超対称性粒子

宇宙の温度が下がるにつれて、様々な粒子種が熱平衡から外れていきます。超対称性粒子も、この過程で重要な役割を果たします：

1. 凍結脱落（フリーズアウト）：最も軽い超対称性粒子（LSP）は、宇宙の温度がその質量程度まで下がると熱平衡から外れます。この過程は、現在の暗黒物質の存在量を決定する上で重要です。
2. バリオン数生成：超対称性粒子の非平衡崩壊過程が、宇宙のバリオン数非対称性を生成した可能性があります。これは、レプトジェネシスやエレクトロウィーク・バリオジェネシスなどのシナリオで重要な役割を果たします。
3. 宇宙の構造形成：最も軽い超対称性粒子（LSP）が暗黒物質の候補である場合、その性質（質量や相互作用の強さ）は、宇宙の大規模構造の形成に影響を与えます。

超対称性粒子と宇宙の熱進化

超対称性粒子の存在は、宇宙の熱進化にも影響を与えます：

1. 有効自由度：超対称性粒子の存在により、宇宙の有効自由度（エネルギー密度に寄与する粒子の種類）が増加します。これは、宇宙の膨張率や温度進化に影響を与えます。
2. 相転移：超対称性の破れに伴う相転移は、宇宙の進化に重要な影響を与えた可能性があります。特に、この相転移がインフレーション期と関連している可能性が議論されています。
3. ビッグバン核合成：軽い超対称性粒子の存在は、ビッグバン核合成の際の軽元素の生成量に影響を与える可能性があります。これは、観測可能な宇宙論的な制限を与えます。

超対称性と宇宙の未来

超対称性理論は、宇宙の未来にも影響を与える可能性があります：

1. 暗黒エネルギー：超対称性の破れが、現在観測されている暗黒エネルギーの起源となっている可能性があります。これは、宇宙の最終的な運命（永遠の加速膨張か、あるいは「ビッグクランチ」のような収縮か）を決定する上で重要です。
2. プロトンの崩壊：超対称大統一理論が予言するプロトンの崩壊は、宇宙の極めて遠い未来に影響を与える可能性があります。
3. 真空の安定性：超対称性理論は、現在の真空状態の安定性に影響を与えます。これは、宇宙が将来別の真空状態に遷移する可能性（「真空の崩壊」）と関連しています。

以上のように、超対称性理論は宇宙の誕生から現在、そして未来に至るまで、様々な側面で重要な役割を果たす可能性があります。次の章では、超対称性粒子が暗黒物質の有力な候補となる理由について、より詳しく見ていきます。

暗黒物質候補としての超対称性粒子

暗黒物質の存在は、現代宇宙論における最も重要な謎の一つです。観測データは、宇宙の質量・エネルギーの約27%が暗黒物質であることを示唆していますが、その正体はいまだに明らかになっていません。超対称性理論は、この暗黒物質の謎に対する魅力的な解答を提供する可能性があります。この章では、超対称性粒子が暗黒物質の有力候補となる理由と、その性質について詳しく見ていきます。

暗黒物質の証拠

まず、暗黒物質の存在を示唆する主な観測的証拠を振り返ってみましょう：

1. 銀河回転曲線：銀河の外縁部の星の回転速度が、可視物質だけでは説明できないほど速いことが観測されています。
2. 銀河団の重力レンズ効果：銀河団による背景の光の曲がり方が、可視物質の量だけでは説明できません。
3. 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の温度揺らぎ：CMBの精密観測から、通常の物質と暗黒物質の存在比が高精度で決定されています。
4. 大規模構造の形成：宇宙の大規模構造のシミュレーションは、暗黒物質の存在を仮定しないと観測と一致しません。
5. 銀河団の衝突（弾丸銀河団）：衝突する銀河団の観測から、暗黒物質が通常物質とは異なる振る舞いをすることが示されています。

これらの証拠は、暗黒物質が非バリオン性（陽子や中性子などの通常物質ではない）で、電磁相互作用をほとんど行わない粒子であることを示唆しています。

超対称性粒子が暗黒物質候補となる理由

超対称性理論から導かれる粒子の中で、特に「最も軽い超対称性粒子」（LSP: Lightest Supersymmetric Particle）が暗黒物質の有力候補と考えられています。その理由は以下の通りです：

1. 安定性：R-パリティが保存される場合、LSPは安定です。つまり、他の粒子に崩壊することがないため、宇宙年齢に匹敵する寿命を持ちます。
2. 弱い相互作用：多くのLSP候補（特にニュートラリーノ）は、弱い相互作用しか行わないため、「弱い相互作用をする大質量粒子」（WIMP: Weakly Interacting Massive Particle）の条件を満たします。
3. 適切な存在量：LSPの熱的生成と凍結脱落のプロセスは、観測される暗黒物質の存在量をうまく説明できます（「WIMPの奇跡」と呼ばれます）。
4. 冷たい暗黒物質：多くのLSP候補は、宇宙の構造形成に適した「冷たい」暗黒物質となります。
5. 自然な出現：LSPは、超対称性理論から自然に導かれる粒子であり、暗黒物質問題を解決するために恣意的に導入されたものではありません。

主なLSP候補

超対称性理論の枠組みの中で、いくつかの粒子がLSPの候補として考えられています：

1. ニュートラリーノ：

• 最も研究されているLSP候補です。
• ビーノ、ウィーノ、ヒグシーノの量子力学的な重ね合わせ状態です。
• 電気的に中性で、弱い相互作用のみを行います。
• 質量は数十GeVから数TeV程度と予想されています。

1. グラビティーノ：

• 重力子の超対称性パートナーです。
• 超重力理論の文脈で現れます。
• 非常に弱い相互作用しか行わないため、検出が困難です。
• 質量は理論によって大きく異なりますが、eV程度から TeV以上まで幅広い可能性があります。

1. スニュートリノ：

• ニュートリノの超対称性パートナーです。
• 電気的に中性ですが、弱い相互作用を行います。
• 現在の実験結果から、純粋なスニュートリノLSPは暗黒物質候補としては困難とされています。

1. アクシーノ：

• アクシオン（強い相互作用のCP問題を解決する仮説的粒子）の超対称性パートナーです。
• 非常に軽く、弱い相互作用しか行わないため、「温かい」暗黒物質となる可能性があります。

ニュートラリーノ暗黒物質の特性

ニュートラリーノは最も研究されているLSP候補であるため、その特性をより詳しく見ていきましょう：

1. 生成メカニズム：

• 熱的生成：初期宇宙の高温状態で生成され、宇宙の冷却に伴い凍結脱落します。
• 非熱的生成：重い粒子の崩壊や宇宙の相転移などで生成される可能性もあります。

1. 存在量：

• ニュートラリーノの質量と相互作用の強さにより決まります。
• 「WIMPの奇跡」により、弱い相互作用程度の強さを持つ粒子が自然に観測される暗黒物質の存在量を説明できます。

1. 検出可能性：

• 直接検出：ニュートラリーノと原子核の散乱を地下実験で検出する試みが行われています。
• 間接検出：ニュートラリーノの対消滅によって生じる高エネルギー粒子（ガンマ線、ニュートリノなど）を観測します。
• 加速器での生成：LHCなどの高エネルギー加速器でニュートラリーノを直接生成する試みが行われています。

1. 宇宙論的影響：

• 構造形成：ニュートラリーノは典型的に「冷たい」暗黒物質となり、観測される宇宙の大規模構造とよく一致します。
• 初期宇宙：ニュートラリーノの存在は、ビッグバン核合成や宇宙マイクロ波背景放射に微妙な影響を与える可能性があります。

暗黒物質としての超対称性粒子の検証

超対称性粒子が実際に暗黒物質であるかどうかを検証するためには、複数のアプローチが必要です：

1. 直接検出実験：

• 大型の極低温検出器を用いて、地球を通過する暗黒物質粒子と原子核の散乱を検出します。
• 主な実験：XENON1T、LUX-ZEPLIN、PandaX-4T、DarkSide-20k など。
• これまでのところ、有意な信号は検出されていませんが、感度は年々向上しています。

1. 間接検出実験：

• 宇宙からやってくる高エネルギー粒子（ガンマ線、陽電子、反陽子など）を観測し、暗黒物質の対消滅の証拠を探します。
• 主な実験・観測：Fermi-LAT、AMS-02、IceCube、HESS など。
• いくつかの興味深い兆候が報告されていますが、確定的な証拠は得られていません。

1. 加速器実験：

• LHCなどの高エネルギー加速器で超対称性粒子を直接生成する試みが行われています。
• 消失エネルギー（ミッシングエネルギー）を伴うイベントを探索することで、LSPの存在を示唆する証拠を得ることができます。
• これまでのところ、超対称性粒子の明確な証拠は得られていませんが、探索は続けられています。

1. 宇宙論的観測：

• CMBの精密観測や大規模構造の観測から、暗黒物質の性質（質量、相互作用の強さなど）に制限をつけることができます。
• 主な観測：Planck衛星、DES（Dark Energy Survey）、Euclid衛星（計画中）など。

1. 天体物理学的観測：

• X線観測や重力レンズ効果の観測から、暗黒物質の分布や性質に関する情報を得ることができます。
• 主な観測：Chandra X線衛星、XMM-Newton衛星、すばる望遠鏡 など。

超対称性暗黒物質の課題と展望

超対称性粒子が暗黒物質である可能性は魅力的ですが、いくつかの課題も存在します：

1. 未発見の問題：これまでのところ、超対称性粒子の明確な証拠は得られていません。これは、超対称性粒子の質量が予想よりも重いか、あるいは相互作用が弱いことを示唆している可能性があります。
2. 小規模構造問題：標準的な冷たい暗黒物質モデルは、銀河スケールより小さな構造の予言において観測と若干の不一致があります。これは、暗黒物質の性質がより複雑である可能性を示唆しています。
3. 直接検出実験の感度限界：現在の直接検出実験の感度は、「ニュートリノフロア」（太陽や大気からのニュートリノによるバックグラウンド）に近づきつつあります。これを超えるためには、新たな実験技術が必要となる可能性があります。
4. 間接検出のバックグラウンド理解：宇宙線や天体現象によるバックグラウンドの理解が、間接検出実験の成否を左右します。これには、宇宙物理学の深い理解が必要です。

しかし、これらの課題にもかかわらず、超対称性暗黒物質の探索は今後も続けられていくでしょう。新しい実験技術の開発、より高感度な検出器の建設、そしてより精密な理論計算により、超対称性暗黒物質の存在を検証する可能性は依然として高いと考えられています。

超対称性粒子が暗黒物質の正体であることが確認されれば、それは素粒子物理学と宇宙論の両方に革命をもたらすことになるでしょう。それは、自然界の最も基本的な法則と宇宙の起源や進化に関する我々の理解を大きく進展させることになるはずです。

次の章では、超対称性粒子の探索の現状と将来展望について、より詳しく見ていきます。超対称性粒子探索の現状と将来展望

超対称性理論は、素粒子物理学と宇宙論の多くの問題に対する解決策を提供する可能性を秘めています。しかし、その美しさと理論的な魅力にもかかわらず、超対称性粒子の直接的な証拠はまだ見つかっていません。この最終章では、超対称性粒子探索の現状を振り返り、将来の展望について考察します。

現在の探索状況

超対称性粒子の探索は、主に以下の三つのアプローチで行われています：

1. 加速器実験
2. 暗黒物質直接検出実験
3. 宇宙観測（間接検出）

それぞれの現状を詳しく見ていきましょう。

1. 加速器実験

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を中心とする高エネルギー物理学実験は、超対称性粒子の直接生成を目指しています。

現状：

• LHCのRun 2（2015-2018年）では、約13TeVの重心系エネルギーでの陽子-陽子衝突実験が行われました。
• これまでのところ、超対称性粒子の明確な証拠は見つかっていません。
• グルイーノやスクォークの質量に対する下限が設定され、多くのモデルで1-2TeV程度となっています。

最近の結果：

• ATLAS実験やCMS実験による最新の解析結果では、特定のシナリオにおいて、グルイーノの質量が2.3TeV以上、トップスクォークの質量が1.2TeV以上であることが示唆されています。
• 電弱相互作用をする超対称性粒子（チャージーノ、ニュートラリーノ）についても探索が進められており、数百GeVの質量領域まで探索が及んでいます。

課題：

• 予想よりも重い超対称性粒子は、生成断面積が小さくなるため、検出が困難になります。
• 背景事象の理解と除去が重要な課題となっています。

2. 暗黒物質直接検出実験

超対称性粒子が暗黒物質の候補である場合、地球上の検出器で直接観測できる可能性があります。

現状：

• 大型の極低温検出器を用いた実験が世界各地で行われています。
• 主な実験には、XENON1T、LUX-ZEPLIN（LZ）、PandaX-4T、DarkSide-20kなどがあります。

最近の結果：

• これらの実験は、年々感度を向上させており、WIMPの散乱断面積に対して厳しい上限を設定しています。
• XENON1Tの最新結果では、WIMP質量30GeV/c²において、WIMP-核子散乱断面積の上限が約4.1×10^-47cm²に達しています。

課題：

• 実験感度が向上するにつれ、太陽ニュートリノなどのバックグラウンドが問題となってきています（ニュートリノフロア）。
• より大型の検出器や新しい検出技術の開発が必要とされています。

3. 宇宙観測（間接検出）

暗黒物質粒子の対消滅によって生じる高エネルギー粒子を観測することで、間接的に超対称性暗黒物質の証拠を得ようとする試みです。

現状：

• ガンマ線望遠鏡（Fermi-LAT、H.E.S.S.など）や宇宙線観測装置（AMS-02）、ニュートリノ望遠鏡（IceCube）などが観測を行っています。

最近の結果：

• ガラクティックセンターからの過剰ガンマ線や、高エネルギー陽電子の過剰など、興味深い兆候がいくつか報告されています。
• しかし、これらの信号が暗黒物質起源であるという確定的な証拠は得られていません。

課題：

• 宇宙線や天体現象による背景の理解が重要な課題となっています。
• 信号の統計的有意性の向上が必要です。

超対称性理論の現状

実験的な証拠が得られていない中で、超対称性理論自体も進化を続けています：

1. 自然性の再考：

• 従来の「自然性」の概念（電弱スケールの安定性）に基づく超対称性模型は、LHCの結果により強い制限を受けています。
• これを受けて、「部分的自然性」や「準自然性」など、自然性の概念を緩和した模型が提案されています。

1. スプリット超対称性：

• スカラー超対称性粒子（スフェルミオン）の質量が非常に重く、フェルミオン的な超対称性粒子（ゲージーノ、ヒグシーノ）の質量が比較的軽いシナリオです。
• このシナリオは、ゲージ結合定数の統一や暗黒物質候補の提供などの超対称性の利点を保ちつつ、LHCでの未発見を説明できる可能性があります。

1. 隠れセクター超対称性：

• 標準模型粒子と直接結合しない「隠れセクター」に超対称性粒子が存在するシナリオです。
• このようなモデルでは、超対称性粒子の検出がより困難になりますが、理論的には魅力的な特徴を持っています。

1. 有効場の超対称性：

• 低エネルギーでの有効理論として超対称性を扱うアプローチです。
• このアプローチは、高エネルギースケールでの詳細に依存せず、現象論的な予言を行うことができます。

将来の展望

超対称性粒子の探索は、今後も様々な方向で進展していくと予想されます：

1. LHCのアップグレード：

• LHCのさらなる高輝度化（HL-LHC）が計画されており、2027年頃から運転が始まる予定です。
• これにより、より重い超対称性粒子や、生成断面積の小さい過程の探索が可能になります。

1. 次世代加速器：

• 国際リニアコライダー（ILC）や円形電子陽電子衝突型加速器（FCC-ee、CEPC）などの次世代加速器計画が提案されています。
• これらの加速器は、超対称性粒子の精密測定や、LHCでは難しい電弱相互作用をする超対称性粒子の探索に適しています。

1. 大型暗黒物質検出器：

• XENONnTやLZ、DarkSide-20kなど、より大型で高感度な暗黒物質直接検出実験が稼働または計画されています。
• これらの実験は、ニュートリノフロアに迫る感度を持ち、広い質量範囲のWIMP探索が可能になります。

1. 次世代宇宙観測：

• CTA（Cherenkov Telescope Array）やLHAASOなどの次世代ガンマ線観測施設が計画されています。
• これらの施設は、暗黒物質対消滅からのガンマ線信号に対して、より高い感度を持つことが期待されています。

1. 理論的アプローチの多様化：

• 超対称性理論の枠組みを拡張したり、他の理論との組み合わせを考えるなど、理論的なアプローチの多様化が進むと予想されます。
• 例えば、超対称性とアクシオンを組み合わせた模型や、余剰次元理論との融合などが研究されています。

1. 計算技術の進歩：

• 機械学習や量子コンピューティングなどの新しい計算技術の発展により、より複雑な超対称性模型の解析や、実験データの効率的な解析が可能になると期待されています。

結論：超対称性の未来

超対称性理論は、その美しさと理論的な魅力にもかかわらず、現時点では実験的な証拠が得られていません。しかし、これは超対称性が誤りであることを意味するわけではありません。むしろ、自然界における超対称性の実現が、我々の最初の予想よりも微妙であったり、高いエネルギースケールで起こっている可能性を示唆しています。

超対称性の探索は、素粒子物理学と宇宙論の最前線を押し広げる原動力となっています。新しい実験技術の開発、より精密な理論計算、そして斬新なアイデアの探求を通じて、我々は自然界の最も深遠な謎に迫り続けています。

超対称性粒子の発見は、物理学に革命をもたらす可能性を秘めています。それは、素粒子の世界と宇宙全体を統一的に理解する新しい扉を開くかもしれません。あるいは、超対称性の探索の過程で、全く予想外の新しい物理現象が発見される可能性もあります。

いずれにせよ、超対称性の探求は、人類の知的好奇心と科学技術の限界に挑戦し続ける壮大な冒険です。この探求が最終的にどのような結果をもたらすにせよ、それは間違いなく我々の宇宙観を大きく変革することでしょう。

超対称性粒子と宇宙論の研究は、今後も物理学の最前線であり続けると予想されます。新しい実験結果や理論的進展に注目しつつ、我々は宇宙の根本法則の解明に向けて、一歩一歩前進していくことになるでしょう。