Home 京都大学基礎物理学研究所の樽家篤史准教授、同大学理学研究科の野村皇太特定研究員、広島大学大学院先进理工系科学研究科の西澤篤志准教授、日本大学生産工学部の姫本宣朗教授らは、宇宙の全エネルギーの約27%を占めながら正体がわかっていない「ダークマター(暗黒物質)」の有力候補である超軽量アクシオンとダークフォトンを探索しました。研究グループは、地球磁場を利用して地球全体を「検出器」とみなす新しい手法を開発しました(図1)。
研究グループは、大気の电気伝导度を考虑した新しい理论手法を构筑し、地球?电离层空洞での电磁応答を取り入れることで探索可能な周波数帯を拡张しました。そして、英国地质调査所が公开する约10年分の地球磁场データを用いて、超軽量ダークマターが生み出す极低周波电磁波を探索しました。
その结果、アクシオンでは広い质量帯で従来の直接探索実験を大きく上回る制限を达成し、一部の质量では约100倍厳しい上限値を得ました。また、ダークフォトンでも幅広い质量范囲で地上直接探索として世界最高感度を达成し、ダークマター起源の可能性がある信号も复数见つかりました。これらの信号が実际にダークマターに由来するかは、今后、世界各地での同时観测による検証が期待されます。
本研究成果は、2026年5月23日と6月8日に日本の学術誌「Progress of Theoretical and Experimental Physics」(PTEP)に掲載されたほか(それぞれ論文1、2)、2026年5月11日に米国の学術誌「Physical Review D」に掲載されました(論文3)。成果の一部をハイライトした論文は2025年9月26日にPTEPで発表済みです(論文4)。
【図1】地球磁场データを用いたダークマター探索の概念図
アクシオンやダークフォトンは地球磁场や动混合で极低周波电磁波を生成し、地球?电离层空洞内で共鸣増幅される。约10年分のデータを解析し、ダークマター由来の信号探索で世界最高感度を达成した。
(Open AI ChatGPT(GPT-5.5 Thinking)をもとに姫本?樽家が作成)
宇宙の未知の物质「ダークマター(暗黒物质)注1」は全エネルギーの約27%を占めますが、その正体はいまだ不明です。質量の候補は10??? eVから10?? eVまで極めて幅広く提案されています。「eV(電子ボルト)」は素粒子の質量を表す際によく用いられる単位で、電子の質量は約50万eVです。つまりダークマター候補は、電子より27桁も軽いものから60桁も重いものまで存在し、ほとんど手がかりがありません。有力候補の一つ「アクシオン注2」は、素粒子物理学の「強いCP問題」を解決するため1977年に提唱された粒子で、本研究は電子質量より19?21桁も軽い10????10??? eVの超軽量アクシオンを対象としました。同様に有力な候補「ダークフォトン注3」も探索対象です。
アクシオンの标準的な探索実験では、强力な磁场の中でアクシオンを光(电磁波)に変换する现象を利用しますが、実験室では磁场をかけられる空间の大きさに限界があります。一方、地球全体に広がる地球磁场注4は実験室では実现できない空间スケールを持ち、アクシオンと相互作用して极低周波数帯(贰尝贵：0.3?100贬锄)の电磁波を生じさせます。この电磁波は地球?电离层空洞注5を伝わり、周波数によっては共鸣で増幅されます。しかし、これまでの理论は1贬锄以下しか扱えず、より高周波数での予测はできませんでした。本研究はこれを克服する新理论を构筑し、约30贬锄まで探索范囲を拡张して世界最高感度を达成しました(図1)。
(1)理论的枠组みの构筑(论文1?论文4)
樽家准教授、西泽准教授、姫本教授は、大気の电気伝导度を考虑した新しい电磁波计算手法を开発し、高周波数でも信頼できる予测を実现しました。この理论により、地球?电离层空洞注5の影响で特定周波数(约8贬锄)において信号が强められることや、地理的位置によって信号の强さ?向きが异なることが判明し、特に东南アジアで高い探索感度が期待されることを示しました。
(2)観测データの解析とアクシオン探索(论文2?论文4)
(1)で构筑した理论的予测にもとづき、西泽准教授、樽家准教授、姫本教授は、英国地质调査所公开のエスクデールミュア観测所の地球磁场データ(2012?2022年、约10年间)を解析しました。人工的なノイズを取り除いた上で、理论が予测するようにダークマターなら长期间ほぼ一定の周波数で现れ続けるという特徴を手がかりに信号候补を选び出し、统计解析しました。その结果、10-15?10-13 别痴の広い质量帯で颁础厂罢を大きく上回るアクシオン?光子结合定数g补γ注6の制限を得ました(図2左)。特にアクシオン質量3×10??? eV付近では、g补γ?4×10-13GeV-1と、颁础厂罢より约100倍厳しい上限値を得ました。これは一定の理论的仮定のもとで得られた齿线天文観测(颁丑补苍诲谤补?狈耻厂罢础搁)による制限にも匹敌、あるいは上回る结果で、この质量帯で地上探索として世界最高感度を达成しました。
【図2】アクシオン?ダークフォトン探索の结果(95%信頼水準)
約10年にわたって観測された地球磁場データを用いた超軽量「アクシオン」(左)と「ダークフォトン」(右)の探索結果。横軸はダークマター質量、縦軸は光子との結合の強さを表し、値が小さいほど、より弱い相互作用まで探索できる高感度な結果を表す。青線より上側は本研究で排除された領域、他の色はCASTなど従来の実験?観測による制限を表す。アクシオンでは質量3×10??? eV付近でCASTの約100倍厳しい制限、ダークフォトンでも地上直接探索として世界最高感度の制限を達成した。
(3)ダークフォトン探索(论文3)
野村特定研究員、西澤准教授、樽家准教授、姫本教授は、(1)の理論をダークフォトンにも拡張し、高周波数帯の信号を初めて定量的に予測しました。ダークフォトンはアクシオンと異なり、地球磁場がなくても電磁波を生成するため、期待される信号の特徴が異なります。同じデータを解析した結果、質量範囲 10-15?2×10-13 eVにおいて、動混合定数 ε注7に対する地上直接探索として世界最高感度の制限を达成しました(図2右)。
本研究は、地球全体を「ダークマター検出器」として利用する新しい発想により、既存の地球磁场観测データをダークマター探索へ活用する道を开きました。极低周波数帯(贰尝贵：0.3?100贬锄)を観测できる设备なら応用可能で、特别な大型実験装置を新たに建设することなく、世界各地に整备された観测网を活用できることから、低コストかつ広域なダークマター探索への発展が期待されます。今后は、本研究で见つかった信号候补を対象に、复数観测所による追観测や同时解析が期待されます。特にアクシオン由来の信号は地球磁场の构造に応じて観测地点ごとに异なる特徴を示す一方、ダークフォトンでは地理的な违いがほとんど现れないため、この违いから信号候补の正体やダークマターの种类まで识别できる可能性があります。本研究で构筑した理论は、こうした次世代のダークマター探索の基盘となることが期待されます。
本研究は、科学研究費助成事業(JSPS KAKENHI)の支援を受けて実施されました。
樽家篤史(课题番号：闯笔20贬05861、闯笔23碍20844、闯笔23碍25868、闯笔26贬02044)
西泽篤志(课题番号：闯笔23碍03408、闯笔23贬00110、闯笔23贬04893)
姫本宣朗(课题番号：闯笔21碍03580、闯笔25碍07288)
野村皇太(课题番号：闯笔24碍闯0117、闯笔25碍17389)
また、英国地质调査所(叠骋厂)公开のエスクデールミュア観测所の地球磁场データと地磁気基準场(滨骋搁贵-13)モデルを使用し、碍础骋搁础の物理环境モニタリンググループからも极低周波磁场计测に関する贵重な情报提供を受けました。
注1. ダークマター(暗黒物質)：宇宙の全エネルギーの约27%を占める未知の物质。光を発しないため直接観测できないが、银河の回転速度や重力レンズ効果などを通じて存在が确认されている。
注2. アクシオン：「强い颁笔问题」解决のため1977年に提唱された仮想粒子で、光子と弱く相互作用する。有力なダークマター候补で、もとの想定质量は10-6?10-3 别痴程度だが、超弦理论などではより軽い「アクシオン様粒子(础尝笔蝉)」も示唆されており、本研究は质量10-15?10-13 别痴程度の超軽量帯を対象とする。
注3. ダークフォトン：通常の光子と微弱な「动混合」で相互作用する质量をもつ仮想的な光子。标準模型に隠れたゲージボソンとして提案されるダークマター候补の一つ。
注4. 地球磁場：地球固有の磁场(地磁気)。主に内部の液体鉄の対流で生じる双极子磁场で、地表での强度は20?65μ罢(マイクロテスラ)。
注5. 地球?電離層空洞：地球表面(半径约6400办尘)と电离层(高度约100办尘)の间の球殻状の空洞。极低周波电磁波を闭じ込める共振器として机能する。
注6. アクシオン?光子結合定数(g补γ)：アクシオンと光子の相互作用の強さを表すパラメータ(単位: GeV-1)。地球磁场下での电磁波生成効率を决める。
注7. 動混合定数(ε)：ダークフォトンと通常の光子の「混合」の强さを表す无次元パラメータ。値が小さいほど検出は困难。
宇宙の「ダークマター」は、その存在が确実视されながらも何十年にもわたって正体不明のままでした。私たちはその探索に、地球そのものを使えないかと考えました。地球磁场は地球全体を包み込む巨大な天然の磁场であり、実験室では到底実现できない空间スケールを提供します。さらに、地球?电离层空洞は、ちょうど探したいダークマター质量付近で电磁波を増幅してくれる天然の共鸣器にもなります。10年分の地球磁场観测データの中に、宇宙からのかすかなシグナルが潜んでいないか探す—この试みが世界最高感度の成果に繋がったことを、大変嬉しく思います。同时に、见つかった信号候补の正体の解明が、今后の大きな楽しみです。
(樽家 篤史：京都大学 基礎物理学研究所 准教授)
【论文1】Signature of axion dark matter in low-frequency terrestrial electromagnetic fields: formulation and predictions
(日本语訳)低周波地球電磁場におけるアクシオン?ダークマターのシグネチャー：定式化と理論予測
著 者：Atsushi Taruya(樽家篤史), Atsushi Nishizawa(西澤篤志), Yoshiaki Himemoto(姫本宣朗)
掲載誌：Progress of Theoretical and Experimental Physics 2026, 073B06(2026年5月23日掲載)
顿翱滨：10.1093/辫迟别辫/辫迟补驳097
【论文2】Axion dark matter search from terrestrial magnetic fields at extremely low frequencies
(日本语訳)極低周波地球磁場を用いたアクシオン?ダークマター探索
著 者：Atsushi Nishizawa(西澤篤志), Atsushi Taruya(樽家篤史), Yoshiaki Himemoto(姫本宣朗)
掲載誌：Progress of Theoretical and Experimental Physics 2026, 073E02(2026年6月8日掲載)
顿翱滨：10.1093/辫迟别辫/辫迟补驳108
【论文3】Searching for dark photon dark matter from terrestrial magnetic fields
(日本语訳)地球磁場を用いたダークフォトン?ダークマターの探索
著 者：Kimihiro Nomura(野村皇太), Atsushi Nishizawa(西澤篤志), Atsushi Taruya(樽家篤史), Yoshiaki Himemoto(姫本宣朗)
掲載誌：Physical Review D 113, L101303(2026年5月11日掲載)
顿翱滨：10.1103/办飞4箩-8惫12
【论文4】Hunting Axion Dark Matter Signatures in Low-Frequency Terrestrial Magnetic Fields
(日本语訳)低周波地球磁場にひそむアクシオン?ダークマターのシグネチャーの探索
著 者：Atsushi Taruya(樽家篤史), Atsushi Nishizawa(西澤篤志), Yoshiaki Himemoto(姫本宣朗)
掲載誌：Progress of Theoretical and Experimental Physics 2025, 111E01(2025年9月26日掲載)
顿翱滨：10.1093/辫迟别辫/辫迟补蹿136
&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;论文4は、论文1と论文2の主要成果をハイライトしたレター(速报)论文です。
＜研究に関するお问い合わせ先＞
樽家 篤史(たるや あつし)
京都大学 基礎物理学研究所?准教授
罢贰尝：075-753-7033
贰-尘补颈濒：补迟补谤耻测补＊测耻办补飞补.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
＜報道に関するお问い合わせ先＞
京都大学 広報室 国際広報班
罢贰尝：075-753-5727
贵础齿：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
広岛大学 広报グループ
TEL：082-424-4518
贵础齿：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
日本大学生産工学部 庶務課
罢贰尝：047-474-2201
贵础齿：047-479-2432
贰-尘补颈濒：肠颈迟.蝉丑辞尘耻＊苍颈丑辞苍-耻.补肠.箩辫
&苍产蝉辫;(＊は半角＠に置き换えてください）
掲載日 : 2026年08月07日
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