宇宙に物質が存在する理由は現代天体物理学の長年の謎であり、初期宇宙では物質と反物質が等量生成されては対消滅していたはずである。しかし10億回の変換のうち1回だけ反物質を伴わない物質粒子が生成され、それが現在の宇宙を形作ったとされる。CERNの大型ハドロン衝突型加速器において、高エネルギー領域のクォークを組み込んだ特殊な重い中性子の崩壊実験で、80,000回の崩壊のうち2.5％が反物質粒子を生成せず、対称性の法則を破る現象が観測された。この発見は物質反物質非対称性という長年の謎に挑む重要な手がかりである。
なぜ宇宙には物質が存在するのか
そもそもなぜ宇宙には物質が存在するのでしょうか。これは現代天体物理学における最も長く未解決のままになっている問いの一つです。そして世界最大の粒子加速器が、その問いの卵にひびを入れたかもしれないのです。
時を遡って、宇宙が物質とエネルギーの煮えたぎるスープのような状態だった時代を考えてみましょう。エネルギーは光子として、物質は粒子として現れていました。実のところ、それらは物質と反物質の粒子ペアだったのです。光子が十分なエネルギーを持っているときはいつでも、自発的に粒子のペアへと変換されます。
E=MC²、Eはエネルギー、Mは物質を表します。これは1905年のアインシュタインの有名な方程式です。ちなみに、これは彼が16年後にノーベル賞を受賞した理由ではありません。仕組みはこうです。エネルギーから始めます。物質を作るのであれば、その物質は再結合すれば再びエネルギーに戻るようなものでなければなりません。ですから光子が物質になるとき、それは物質と反物質の粒子ペアになります。そしてその粒子ペアが互いを見つけて、再び光子に戻るのです。
これが初期宇宙で行ったり来たりしながら維持されていたスープです。物質があるところには常に同量の反物質があり、再び対消滅して光子に戻る準備ができていました。宇宙は膨張し冷却しながら、その状態に満足していました。ところが何らかの謎の理由で、光子から物質と反物質の粒子ペアへの変換10億回のうち1回だけが、物質粒子のみを生成し、反物質を一切生成しなかったのです。999,999,999個の光子に対して1個の割合で、物質粒子の一つがダンスのパートナーを見つけられないままになりました。
宇宙が膨張し冷却するにつれて、相手を見つけられた物質と反物質の粒子は対消滅して光子になり、1個の物質粒子だけが取り残されました。それが私たちが今日生きている宇宙なのです。
対称性の破れと物理学における意味
初期宇宙において、ある対称性が破れたのです。対称性の法則は物理学において非常に強力なツールであり、これらの対称性のルールがなければ知ることのできなかった現象、実験、時間、場所、圧力に関する洞察を与えてくれます。そしてもしいかなる時点であれ対称性が破れたら、おやおや、その理由を突き止めなければなりません。これは現代天体物理学における長年の問題でした。
宇宙が冷えるにつれて、光子のエネルギーは系統的に下がっていきます。生成しうる任意の2粒子のエネルギーを下回ったとき、つまり質量を持つ粒子のことですが、E=MC²で換算してこれら2粒子を作るのにどれだけのエネルギーが必要かを求めます。すべての光子のエネルギーがそれを下回ると、エネルギーから物質への変換は止まります。ええ、恒星の中心ではまだ起こり得ますが、宇宙全体ではそれは止まるのです。
私たちはこの対称性の破れを理解できていません。実験室や粒子加速器の中で再現することもできていません。粒子加速器とは、初期宇宙の物理学者版ペトリ皿に他なりません。粒子加速器の中に、初期宇宙で起こっていたことに似た条件を設定します。それが、ビッグバン直後に何が起こっていたかを知る方法なのです。
原子からクォークへ ― 素粒子物理学の発展
さて、ギリシャ人は物質をより小さく、より小さく分解していけば、分割不可能なものに到達すると想像しました。そしてギリシャ語で分割不可能なものを意味する言葉がアトム(atom)です。19世紀後半の科学において、原子が実は分割可能であることがわかりました。原子はそれ自体が粒子で構成されていたのです。電子は私たちの電流をもたらします。原子の核は陽子と中性子です。
そこで人々は、これで基本粒子が揃った、電子、陽子、中性子だ、と考えました。しかしその後、陽子と中性子をさらに小さな粒子に分解できることがわかったのです。そのとき理論物理学者のマレー・ゲルマンは、中性子と陽子それぞれの中に3つの粒子が含まれているかもしれないと気づきました。そしてジェイムズ・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』からの一節「マスター・マークに3つのクォークを」を思い出して、彼は「ああ、3つだ」と言いました。そしてその文にはクォークという言葉が入っている。クォークと呼ぼう、と。
後に3つよりも多くの種類のクォークがあることがわかりますが、名前はそのまま定着し、それで構わないとされています。これは物理学者が新たに発見された粒子に空想的な用語を使う最後の例にはならないでしょう。
これらのクォークは分数電荷を持っています。考えてみてください。陽子が3つのクォークで構成されていて、陽子の電荷が+1なら、これら3つのクォークの電荷の合計は+1にならなければなりません。ですから陽子には+2/3の電荷を持つクォークが2つあります。2/3+2/3で何になりますか。1と1/3です。そして-1/3の電荷を持つクォークが1つあります。2/3+2/3-1/3で+1になるわけです。
これらをあらゆる方法で組み合わせたり、反対の電荷を持つこれらのクォークの反物質版を取って組み合わせれば、合計を-1の電荷にすることもできれば、まったく電荷なしにすることもできます。ですから反物質の中性子を作りたければ、「電荷なしの反対は何か」と考え、内部に入ってどのクォークでできているかを調べ、その反クォークを取って組み合わせ、それでも電荷なしになるようにします。こうして物質の電荷なし中性子と、反物質の電荷なし中性子が得られます。これは素粒子物理学の楽しみ方です。
標準模型と3つの世代
ちなみに、私の生きているうちに、粒子には3つのエネルギー準位、つまり3つの世代があることがわかりました。私はそれくらい年を重ねているということです。低エネルギーのもの、私たちが住んでいる世界、電子、陽子、中性子、こういったものです。次のレベルにはこれらの粒子とクォークのより重いバージョンがあります。さらに重いバージョンです。そしてさらに高いエネルギーで、最も強力な粒子加速器で発見された第3のレベルもあります。
これら3つの領域すべてを1つの記述にまとめたものが、素粒子物理学の標準模型です。
CERNが捉えた対称性の破れ
最近、欧州原子核研究機構、略してCERNにおいて、その大型ハドロン衝突型加速器で、ハドロンとは原子核粒子のことですが、つまり実際には原子核を破壊しているわけです、物質と反物質の粒子ペアの形成における非対称性が発見されました。しかしそれは特殊な構成の粒子に対してのものでした。
ではどのようにして発見したのでしょうか。中性子は不安定な粒子であることが判明しています。およそ15分以内に、中性子は陽子、電子、反ニュートリノへと崩壊します。なぜこれら3つの粒子なのでしょうか。中性子はバリオンと呼ばれるものです。方程式の反対側にはもう一つのバリオンが必要です。それが陽子です、よし。しかし中性子は電荷を持たず、陽子は+電荷を持っています。それを何とか打ち消さなければなりません。何が生成されるかというと、負の電荷を持つ電子です。電荷が打ち消されます、これでよし。電子はレプトンと呼ばれるものです。レプトンから始めなかったのですから、終わりにもレプトンを持っていてはいけません、粒子の計算上。ですから何が出てくるか、反ニュートリノです。ニュートリノは電子と同じくレプトンです。ですから反ニュートリノが電子を打ち消します。こうして始まりに無かったものは終わりにも無いという状態になります。これが素粒子物理学の働き方です。見事に機能しています。
しかしCERNが行ったのは、特殊な種類の中性子を作ることでした。彼らは中性子のクォークの一つを取り出し、より高エネルギー準位の領域からのクォークと入れ替えたのです。これは通常起こることではありません。普通は見られないことです。ですから彼らは重い中性子を作り、待って観察しました。そしてその中性子の80,000回の崩壊のうち、2.5％は反物質粒子を生成しなかったのです。物理学の対称性の法則を破っていました。
創造的実験としての意義
さて、これを誰が思いついたのでしょうか。「おい、本来そこに無いはずのクォークをここから持ってきて向こうに置いて、何が起こるか見てみよう」と誰が言ったのでしょうか。それが科学者の創造性の一部であり、自然が何をしようとしているのか、自然に何ができるのか、初期宇宙で何が起こっていたかもしれないのかを検証する方法を考え出すのです。
この種の粒子が初期宇宙で優勢だったかどうかは明らかではありません。しかし物事を始動させて、物質だけで反物質のない宇宙に行き着くためには、わずかな非対称性で十分なのです。反物質がないとはどういう意味でしょうか。反物質は実験室で作ります。太陽はその核で反物質を作りますが、それは常に物質粒子と対になっています。ここで話しているのは単独の物質粒子のことです。
これが物質反物質非対称性という卵に入ったひびです。さらに明らかになることがあるかもしれませんが、今のところそれは理解の存在しない測定値です。それを説明する物理学の理論はありません。実際、非常に強く支持されている物理原理に対する違反だからです。ですからその領域を見守ってください。これが宇宙における有名な物質反物質非対称性です。
反物質宇宙という空想
少しの間、これを楽しんでみましょう。もしかしたら反物質粒子は初期宇宙で生成されたけれど、この宇宙から滑り出て別の宇宙を作ったのかもしれません。もしかしたら全部反物質でできた別の宇宙があるのかもしれません。そこに惑星や恒星や生命があれば、それらは反物質でできているでしょう。その別の宇宙にはエイリアンがいるかもしれません。そして彼らがトンネルを通って、ワームホールを通って私たちの宇宙にやってくることができたら。
もしエイリアンに挨拶することがあったら、私が最初にやることは、コインを投げ渡すことです。エイリアンがそのコインをキャッチした瞬間に自然発火して爆発したら、それは反物質でできていて、別の宇宙から来たということです。ですから私はいつもコインを携帯しています。挨拶しなければならないエイリアンに出くわした場合に備えて。
今のところ、これはサイエンスフィクションの最前線です。いつの日か科学的事実になるかもしれません。これがこの件に関する状況です。私はその領域を見守っていますし、皆さんにもそうすることをお勧めします。いつものように、空を見上げ続けてください。
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