米国ブルックヘブン国立研究所での実験で、国際物理学者チームがこれまでで最も重い「反原子核」を発見した。この微小で短寿命の物体は、エキゾチックな反物質粒子で構成されている。
これらの物質が生成される頻度と特性の測定は、反物質の性質に関する現在の理解を裏付けるものであり、深宇宙におけるもう一つの謎の粒子、すなわち暗黒物質の探索に役立つだろう。この研究成果は今月初めにNature誌に掲載された。
失われた鏡の世界
反物質の概念が生まれたのは1世紀も経っていません。1928年、イギリスの物理学者ポール・ディラックは電子の挙動に関する非常に正確な理論を提唱しましたが、その理論は衝撃的な予測を示しました。負のエネルギーを持つ電子の存在は、私たちが住む安定した宇宙を不可能にするはずだったのです。
幸いなことに、科学者たちはこれらの「負のエネルギー」状態に対する別の説明を発見しました。それは反電子、つまり電子の双子で反対の電荷を持つものです。反電子は1932年の実験で発見され、それ以来、科学者たちはすべての基本粒子にそれに相当する反物質が存在することを発見してきました。
しかし、これは別の疑問を提起します。反電子、反陽子、反中性子は結合して反原子、さらには反惑星や反銀河を形成できるはずです。さらに、ビッグバン理論によれば、宇宙の始まりには同量の物質と反物質が生成されたはずです。
しかし、私たちが見渡す限り、物質は存在し、反物質は微量しか存在しません。反物質はどこへ行ったのでしょうか？これは、ほぼ1世紀にわたって科学者たちを悩ませてきた疑問です。
粉砕された原子の破片
本日の成果は、米国ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器（RHC）に設置されたSTAR実験によるものです。この実験は、ウランなどの重元素の核を極めて高速で互いに衝突させることで実現します。この衝突により、ビッグバン後の最初の数ミリ秒間の宇宙の状態を短時間再現する、微小で強力な火の玉が生成されます。
衝突ごとに数百もの新しい粒子が生成されますが、STAR実験ではそれらをすべて検出できます。これらの粒子のほとんどはパイオンと呼ばれる短寿命で不安定な粒子ですが、ごく稀にもっと興味深いものが現れることもあります。
STAR検出器では、粒子が磁場の中でガスで満たされた大きな容器を猛スピードで通過し、その軌跡に目に見える軌跡を残します。軌跡の「厚さ」と磁場内での曲がり具合を測定することで、科学者はそれがどのような粒子によって生成されたのかを解明することができます。物質と反物質は電荷が逆なので、磁場内での軌跡は逆方向に曲がります。
「アンチハイパー水素」
自然界では、原子核は陽子と中性子で構成されています。しかし、中性子の1つがハイペロン（中性子の少し重いバージョン）に置き換えられた「ハイパー核」と呼ばれるものも作ることができます。
STAR実験で彼らが検出したのは、反物質でできたハイパー核、つまり反ハイパー核でした。実際、それはこれまでに観測された中で最も重く、最も異質な反物質核でした。
具体的には、反陽子1個、反中性子2個、反ハイペロン1個で構成され、反ハイペロン4と名付けられています。STARの研究者たちは、生成された数十億個のパイ中間子の中から、わずか16個の反ハイペロン4核を特定しました。
結果は予測を裏付ける
この新しい論文では、これらの新しく最も重い反核と、それより軽い反核を、通常の物質中の対応する反核と比較しています。ハイパー核はすべて不安定で、約10分の1ナノ秒後に崩壊します。
ハイパー核とそれに対応する反ハイパー核を比較すると、両者の寿命と質量は同一であることがわかります。これはまさにディラック理論から予想される通りです。また、既存の理論は、軽い反ハイパー核がより頻繁に生成され、重い反ハイパー核がより稀に生成されることをうまく予測しています。
影の世界も？
反物質は、もう一つの異質な物質である暗黒物質とも興味深い関連性を持っています。観測から、暗黒物質は宇宙全体に浸透しており、通常の物質の5倍も存在することが分かっていますが、直接検出することはこれまでできませんでした。
暗黒物質に関するいくつかの理論では、2つの暗黒物質粒子が衝突すると、互いに対消滅して物質粒子と反物質粒子の爆発が引き起こされると予測されています。これにより反水素と反ヘリウムが生成され、国際宇宙ステーションに搭載されたアルファ磁気分光計と呼ばれる実験でその発生が監視されています。
もし宇宙で反ヘリウムを観測できたとしたら、それが暗黒物質によって生成されたのか、それとも通常の物質によって生成されたのか、どうやってわかるのでしょうか？STARによる今回の新しい測定結果のような成果は、通常の物質の衝突でどれだけの反物質が生成されるかについての理論モデルを較正することを可能にします。この最新の論文は、そうした較正のための豊富なデータを提供しています。
基本的な疑問は残る
過去1世紀にわたり、私たちは反物質について多くのことを学んできました。しかし、なぜ宇宙で反物質がこれほど少ないのかという疑問への答えは、いまだに解明されていません。
STAR実験は、反物質の性質とその行方を解明しようとする試みにおいて、決して唯一のものではありません。スイスの大型ハドロン衝突型加速器（LHCb）のAlice実験やLHCb実験といった実験における研究は、物質と反物質の挙動の違いの兆候を探ることで、私たちの理解を深めるでしょう。
おそらく、反物質が最初に発見されてから 100 年が経つ 2032 年までに、私たちはこの不思議な鏡のような物質が宇宙で占める位置を理解する上で大きな進歩を遂げ、それが暗黒物質の謎とどう関係しているのかさえ知ることになるだろう。
ウルリック・エゲデはモナシュ大学の物理学教授です。この記事はThe Conversationからクリエイティブ・コモンズのライセンスに基づいて転載されています。元の記事はこちら。
