国際宇宙ステーションに搭載した
観測装置で暗黒物質発見に迫る

　さまざまな証拠から宇宙創成のメカニズムを辿る重要な存在であることは明らかだが、質量を持っていること以外はほとんどわからない。それが暗黒物質だ。宇宙の観測に利用されることが多い光やX線といった電磁波では観測できないため“暗黒”という呼称がついているが、清水教授はその未知の存在を観測するために素粒子の性質に狙いを定めている。

「粒子には質量などの性質は同じで電荷が正反対である“反粒子”が存在します。粒子と反粒子は衝突すると対消滅し、すべての質量はエネルギーに変換される。これが通常なのですが、暗黒物質は少し特殊な素粒子で、一個体のなかで粒子と反粒子の両方の側面を持つ可能性があります。そして、暗黒物質同士が衝突すると、対消滅して別の粒子や反粒子が生み出されることが考えられています。暗黒物質自体の観測は困難ですが、対消滅したあとに生み出された粒子や反粒子であれば観測できるのではないか、というのが観測装置開発の出発点です」

　国際宇宙ステーション「きぼう」日本実験棟には、清水教授が開発に携わった観測装置「CALET」が設置されている。仕組みとしては、高い運動エネルギーを持つ粒子が衝突すると発光する素材を用い、宇宙から飛んできた粒子の特性を捉える。エネルギーを精密に測定することで、もともとの暗黒物質の質量を解明する手がかりになる。

一から観測装置をつくり
実験やデータ解析に取り組む

「現在は、また別の観測方法として『GAPS計画』にも参加しています。これは、JAXAなど日米伊の研究者が協力し宇宙空間を飛び交う粒子の中にわずかに含まれている反粒子を探索することをめざした、南極成層圏気球による国際共同実験です。暗黒物質同士の対消滅によって生まれた反粒子に焦点を当て、その特性を見極めることで暗黒物質発見に迫ります」

　幼少期から宇宙や人間が誕生した過程に興味を持ち、それらを構成する最も根本的な要素である素粒子を深く学びたいと思い物理の道へ進んだ清水教授。そして大学で、暗黒物質という、研究人生を賭ける課題に出会った。

「暗黒物質の痕跡を辿る研究は、どこか謎解きのような面白さがあるんです。さらにこの研究室が特殊なのは、実験やデータ解析だけでなく、観測装置をつくるところから始めること。学生たちも積極的にものづくりからコンピュータシミュレーションまで幅広い研究に挑戦しています。自分たちで一から新しい装置をつくって観測を行い機械学習などを使ったデータ解析にも取り組みながら、暗黒物質の発見に近づけたらと思います」