CERNの大型ハドロン衝突型加速器が、初期宇宙における物質と反物質の非対称性を解明する手がかりを発見した。重いクォークを組み込んだ特殊な中性子の崩壊実験において、2.5%が反物質粒子を生成せず、物理学の対称性の法則を破る現象が観測されたのである。
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いて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頃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。光子は十分なエネルギーを持つときはいつでも、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ね。ちなみに、彼が16年後にノーベル賞を授与された理由はこの方程式ではないのですが。
このしくみはこうです。まずエネルギーから始めます。物質を作るのであれば、その物質は再結合させたときに再びエネルギーが得られるようなものでなければなりません。つまり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るのです。そしてその粒子ペアは互いを見つけ、再び光子になります。これが初期宇宙で行ったり来たり保たれていたスープのような状態です。物質があるところには常に、再び対消滅して光子に戻る準備のできた等量の反物質が存在していました。
対称性の破れと長年の謎
宇宙はその状態のまま膨張し冷却していき、満ち足りていました。ところが何らかの謎の理由により、光子から物質と反物質の粒子ペアへの変換のうち、10億回に1回の割合で、物質粒子だけが作られ反物質が作られないことが起きたのです。9億9999万9999個の光子に対して、ある一つの粒子、つまり物質粒子のダンスカードが、相手の見つからないままになりました。
そして宇宙が膨張し冷却していくにつれ、相手を見つけられた物質と反物質の粒子は再び光子となり、ただ一つの物質粒子が取り残されたのです。これが私たちが今日生きている宇宙です。初期宇宙において何らかの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道具で、現象、実験、時間、場所、圧力に関して、対称性のルールがなければ知り得なかった洞察を与えてくれます。そしてもし対称性がいつか破れているならば、なんということだ、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。
宇宙が冷却するにつれ、光子のエネルギーは系統的に低下します。光子のエネルギーが、それが作り得る任意の二つの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です。E=MC²によって変換すれば、これら二つの粒子を作るのにどれだけのエネルギーが必要かが分かります。すべての光子のエネルギーがそれを下回れば、エネルギーから物質への変換は止まります。そう、星の中心ではまだ起こり得ますが、宇宙全体としては止まるのです。
私たちはこの対称性の破れを理解できていません。研究室や粒子加速器の中で再現することもできていません。粒子加速器とは要するに、初期宇宙を再現する物理学者のペトリ皿のようなものです。粒子加速器の中で初期宇宙で起きていたことに似た条件を作り出します。それがビッグバン直後に起きていた事象を私たちが知る術なのです。
原子から素粒子へ
さて、ギリシャ人は、物質をどんどん細かく砕いていけば、それ以上分割できないものに到達すると想像しました。ギリシャ語で「分割できないもの」を意味する言葉が「アトム」です。19世紀後半の科学において、原子は実は分割可能であることが分かりました。原子はそれ自体が粒子から構成されているのです。電気の流れを生む電子。原子の核は陽子と中性子。
それで人々は、よし、これで基本粒子、電子、陽子、中性子が揃ったと考えました。ところがその後、陽子と中性子をさらに小さな粒子へと分解できることが分かったのです。そのとき理論物理学者のマレー・ゲルマンは、中性子と陽子のそれぞれの中に三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・マークに三つのクォーク」を思い出し、彼は言ったのです、「ああ、三つあるな」と。そしてその文には「クォーク」という単語が入っていた。「クォークと呼ぼう」と。後にこれら三種類以外にもクォークの種類があることが分かりますが、名前は定着し、私たちはそれで構わないと思っています。物理学者が新発見の粒子に空想的な名前を付けるのは、これが最後ではないでしょう。
クォークと電荷の不思議
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。陽子が三つのクォークから構成されていて陽子の電荷がプラス1だとすれば、これら三つのクォークの電荷の合計はプラス1にならなければなりません。そこで陽子はプラス3分の2の電荷を持つクォークを二つ持っています。3分の2足す3分の2、いくつになりますか。3分の4になります。そしてマイナス3分の1の電荷を持つクォークを一つ持っています。3分の2足す3分の2引く3分の1で、プラス1になるわけです。
そしてこれらをあらゆる組み合わせ方で結合させたり、あるいは反対の電荷を持つ反物質版のクォークを得たりすれば、合計してマイナス1の電荷を作ることもできますし、まったく電荷のない状態を作ることもできます。
ですから反物質の中性子を作りたいなら、こう考えるわけです。「電荷なしの反対の電荷とは何か」と。中身に踏み込み、どのクォークから構成されているかを調べ、それらの反クォークを取り出し、組み合わせてやはり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るのです。これが素粒子物理学の楽しいところです。
そして私の生涯のうちに、ちなみにそれだけ私は歳を重ねているわけですが、粒子には三つのエネルギー準位、三つの世代があることが分かりました。低エネルギーのもの、私たちが暮らしている世界の電子、陽子、中性子といったものです。次の準位にはそれらの粒子やクォークのより重い版があります。より重い版です。そしてさらに高いエネルギーには第三の準位もあり、これは最も強力な粒子加速器の中で発見されました。
これら三つの領域すべてを一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が捉えた非対称性
最近、欧州原子核研究機構、頭文字を取ってCERNと呼ばれる施設で、その大型ハドロン衝突型加速器における実験が行われました。ハドロンは原子核を構成する粒子のことなので、文字通り原子核を破壊しているわけです。彼らは物質と反物質の粒子ペア生成における非対称性を発見したのですが、それは粒子の特殊な配置についての発見でした。
ではどのようにしてそれを行ったのでしょうか。実は中性子は不安定です。約15分以内に、中性子は陽子と電子と反ニュートリノへと崩壊します。なぜこの三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。等式の反対側にもう一つバリオンが必要です。それが陽子。よし。しかし中性子には電荷がない、陽子にはプラスの電荷がある。これを何らかの方法で打ち消さなければなりません。何が生成されるか分かりますか。マイナスの電荷を持つ電子です。これで電荷が打ち消されます。そこは大丈夫。
電子はレプトンと呼ばれるものです。最初にレプトンはなかった、ですから粒子の計算が終わったときにもレプトンがあってはなりません。そこで何が出てくるか。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。反ニュートリノが電子を打ち消します。これで、最初になかったものは最後にもないという状態になりました。これが素粒子物理学のしくみです。見事に機能します。
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。中性子のクォークの一つを取り出し、より高いエネルギー準位の領域からクォークを入れ替えたのです。これは通常起こりません。普通は見られない現象です。こうして重い中性子を作り、待って観察した結果、その中性子の8万回の崩壊のうち、2.5%が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です。
宇宙論的意義と科学の最前線
さて、これを思いついたのは誰でしょうか。「ねえ、本来そこにあるはずのないクォークをここから取って、こっちに置いてみたらどうなるか見てみよう」と言ったのは。これこそ科学者の創造性の一端であり、自然が何を企んでいるか、自然に何ができるか、初期宇宙で何が起きていたかもしれないかを試す方法を見出すものです。
このような粒子が初期宇宙で支配的だったかは明らかではありませんが、物事を動き出させて、結果として物質だけで反物質のない宇宙にたどり着くのに、それほど大きな非対称性は必要ないのです。反物質がないとはどういう意味でしょうか。研究室では反物質を作ります。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、孤立した物質粒子のことです。
これは物質と反物質の非対称性という卵にひびが入ったということです。さらに多くのことが明らかになるかもしれませんが、現時点ではこれは理解の存在しない測定結果です。それを説明する物理学の理論はありません。なぜならそれは実際、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。ですからこの分野に注目していてください。これは宇宙における有名な物質と反物質の非対称性の話です。
少しばかり遊んでみましょう。もしかすると反物質粒子は初期宇宙で生成されたけれど、この宇宙からすり抜けて別の宇宙を作ったのかもしれません。もしかすると、すべてが反物質でできた別の宇宙があるのかもしれません。もし惑星や星や生命があるなら、それらは反物質でできているでしょう。もしかするとその別の宇宙に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抜けて、ワームホールを使って私たちの宇宙にやって来られるとしたら。
エイリアンに挨拶するときに私が真っ先にすることは、コインを投げて渡すことです。エイリアンがコインを受け取った瞬間に自然発生的に爆発したら、それは反物質でできていて、別の宇宙からやって来たということです。ですから私は、挨拶しなければならないエイリアンに備えて、いつもコインを持ち歩いているのです。今のところ、これはサイエンスフィクションのフロンティアです。いつか科学的事実になるかもしれません。
そしてそれが、この件についてのお話です。私はこの分野に注目していますし、皆さんもそうしていただけるよう願っています。いつものように、上を見上げ続けましょう。
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