地球を直撃した「ありえない粒子」は暗黒物質だった――最新研究が発表

ニュートリノだとすると矛盾が多すぎる

宇宙からは時折、想像を絶する高エネルギーの粒子が飛来します。

例えば1991年には「オーマイゴッド粒子」と呼ばれる史上最高エネルギーの宇宙線（放射線）が観測され、その後もエネルギーの起源不明な粒子が報告されてきました。

中でも2023年2月、地中海の深海にあるニュートリノ望遠鏡「KM3NeT」が、非常に珍しい粒子を検出しました。

粒子のエネルギーは約220ペタ電子ボルト（PeV）と推定され、南極のアイスキューブが観測したニュートリノの最高記録（約10PeV）の約20倍以上という桁外れの規模で、前例のないものでした。

220ペタ電子ボルトの凄さとは？

220ペタ電子ボルトというエネルギーは、ジュールに直すとたった0.035 ジュールほどにすぎません。これは野球ボールを時速1 メートルではなく時速70センチほどでそっと転がしたときの運動エネルギーと同じくらいです。日常の感覚では「大したことがない」数字に見えますが、ここでエネルギーを背負っているのは重さが野球ボールの10²⁶分の1以下しかない陽子や原子核のような極小の粒子です。質量がほぼゼロに近い点粒子に0.035 ジュールを詰め込むとエネルギー密度は桁外れに高くなります。比較のために、人類最大の加速器LHCが陽子1個に与えられるエネルギーは6.5テラ電子ボルトしかありませんので、220ペタ電子ボルトはその3万倍以上に相当します。もしLHCが地上を走るジェットコースターだとすれば、この粒子は太陽‐冥王星間を一瞬で駆け抜けるコースターのようなもの――数字が小さく見えても、粒子一個に詰め込まれたエネルギーとしては想像を超える高密度であり、そんな粒子が自然の宇宙加速装置から飛んできたことこそが「前代未聞」と言われる理由なのです。

この粒子は大気中でミュー粒子（ミュオン）を生み出し、水中を通過する際のチェレンコフ光（青い閃光）によって検知されています。

検出された粒子は、KM3NeT検出器の約3分の1のセンサーが反応するほど強力なものでした。（2025年のarXiv追補論文より）

まさに「ありえない」ほどの高エネルギー粒子だったのです。

（※純粋なエネルギーではオーマイゴット粒子やアマテラス粒子のほうが強力ですがニュートリノとしては破格でした）

ところが、この超高エネルギー粒子の発生源には謎が残りました。

発表当初、観測チームは粒子を生んだ天体を特定しようと試みましたが、観測された粒子の方向には約 3° 以内に 18 個の候補が存在し、詳細な解析の結果 7 個が特に有力視されました。

これらの候補はブレーザーと呼ばれる天体で、銀河中心の巨大ブラックホールが膨大なエネルギーを放射しているものです。

ブレーザーは中心ブラックホールからジェット状に高速粒子を噴き出し、中には地球方向へ粒子を放出しているものも知られています。

ブレーザーは宇宙線やニュートリノの有力な発生源と考えられており、2018年にはアイスキューブ観測所がブレーザー由来とみられる高エネルギーニュートリノを検出した例もあります（TXS 0506+056事件）。

しかし今回の粒子の場合、必要とされるエネルギー規模が桁違いに大きく、通常のブレーザーでは説明が困難でした。

推定では、この粒子をニュートリノだと仮定すると発生源の明るさは通常の銀河のエネルギー放出（約10^45エルグ/秒）の約10万倍（約10^50エルグ/秒）にも達し、仮にビーム状の集中放射で1000倍明るく見積もっても、100年単位の長期間にわたる大規模フレア（爆発的活動）が必要になるとされています。

これは常識的に考えて非常に難しく、観測された1事象を説明するには無理がある値です。

さらなる疑問は南極のアイスキューブ観測所との比較から生まれました。

アイスキューブはKM3NeT と比較して同エネルギー帯の事象に対して約 5〜10 倍の有効面積を持っています。

ところが、アイスキューブでは今回に匹敵するような超高エネルギー事象は一つも報告されていないのです。

本来ならば南極でも検出されてもおかしくないはずの粒子が、なぜ地中海でしか捉えられなかったのか――この食い違いは研究者たちを大いに悩ませました。

以上のような背景から、この「高エネルギー粒子」の正体については様々な仮説が飛び交うことになります。

誤検出の可能性は潰されている

現在までに行われた解析では、KM3NeT が捉えた KM3-230213A について「機器のノイズや大気ミュー粒子の取り違え」といった誤検出シナリオは徹底的に検証されており、いずれも極めて起こりにくいことが確認されています。まず信号は検出器全体の約３分の１もの光センサーで同時に記録され、個々のタイミングもマイクロ秒単位で首尾よく一致していたため、単発の電子ノイズで説明する余地がありません。

この検出器にはほぼ 1 万 2000 本の光電子増倍管（PMT） が稼働していました。そのうち およそ 4000 本──全体の 3 分の 1 強 が KM3-230213A の光をとらえ、しかも 25 % 以上（3000 本超）は信号が大きすぎて飽和してしまったとのことです。1個や2個の反応ならば誤検出の可能性もまだあり得ますが、4000個が一斉に反応したという結果は、確実に巨大なエネルギーを持つ粒子が出現したことを示しています。

さらに、再構成された飛跡は水中をほぼ一直線に貫通しており、エネルギー分布や角度分散も既知のバックグラウンドの特徴とかけ離れていました。こうした多角的なチェックを経た結果、誤検出である可能性は事実上無視できると結論づけられており、研究者たちはこのイベントを「ほぼ確実に実在する超高エネルギー宇宙粒子の通過」とみなしています。

では超高エネルギー粒子が本当に通過したとして、その正体はニュートリノ意外に何が考えられるのでしょうか？

ひとつは暗黒物質が地球内部で散乱し、高エネルギー粒子を生成した可能性です。

暗黒物質は未だ直接観測されたことのない仮想上の物質ですが、宇宙に存在する質量の大半を占めると考えられており、その崩壊や相互作用が極高エネルギー粒子を生み出すシナリオは標準理論を超えた新物理として以前から議論されています。

他にも初期宇宙のブラックホール蒸発や光速を超える粒子の仮説など、いくつかの挑戦的なアイデアが提案されました。

しかし、いずれの案も「アイスキューブで未検出」という謎まではうまく説明できませんでした。

（※なお日本のニュートリノ観測装置でも検出されていません。）

こうした中、2025年5月にアメリカ・欧州・インドの理論研究グループが発表したのが、「今回の粒子はニュートリノではなく暗黒物質による現象だ」という大胆な仮説でした。

彼らの目的は、この超高エネルギー事象の謎（発生源のエネルギー問題とアイスキューブ未検出問題）を一挙に解き明かすことにありました。

言わば「暗黒物質の仕業だ」という新視点で、“常識外れ”の粒子の正体に迫ろうとしたのです。