科学者は謎を探求することに喜びを感じ、謎が大きければ大きいほど、その熱意は大きくなります。 科学には多くの未解決の巨大な問題がありますが、「なぜ無ではなく、有があるのか」という大問題には勝てません。 もう少し具体的に言うと、”なぜ宇宙は人間の生命を可能にするような物質でできていて、この質問をすることさえできるのか?” ということです。 日本で研究している科学者たちは、先月、この最も魅力的な問いに直接応える測定結果を発表した。 彼らの測定は、現在の理論の最も単純な予想に反しているようで、この永遠の疑問に対する答えを指し示す可能性が十分にあります。
彼らの測定は、特定の素粒子集合に対して、物質と反物質は異なって作用すると言っているようです。
Matter v. Antimatter
東海村にあるJ-PARC加速器を使って、ニュートリノとその反物質の対応物（反ニュートリノ）と呼ばれる幽霊の素粒子ビームを地球を通して、同じ日本の神岡にあるスーパーカミオカンデ実験に向けて発射しました。 この実験はT2K（Tokai to Kamiokande）と呼ばれ、私たちの宇宙がなぜ物質でできているのかを明らかにするために行われています。 ニュートリノ振動と呼ばれるニュートリノが示す特異な振る舞いが、この非常に厄介な問題に光を当ててくれるかもしれません。
宇宙がなぜ物質でできているのかを問うことは、特異な質問のように聞こえるかもしれませんが、科学者がこのことに驚くのには、とてもよい理由があるのです。
1928年、イギリスの物理学者ポール・ディラックは、物質の拮抗する兄弟である反物質の存在を提唱しました。 同量の物質と反物質を組み合わせると、両者は対消滅し、膨大なエネルギーが放出される。 また、物理学の原理は通常、逆でも同じように働くので、膨大なエネルギーがあれば、全く等量の物質と反物質に変換することができる。 反物質は1932年にアメリカのカール・アンダーソンによって発見され、研究者たちはほぼ1世紀にわたってその性質を研究してきました
しかし、この「まったく等量に」というフレーズが難問の核心なのです。 ビッグバン直後の短い時間では、宇宙はエネルギーに満ちていた。 そのエネルギーが膨張し、冷えるにつれて、物質と反物質の素粒子に等しく変換され、今日観察できるようになったはずです。 しかし、私たちの宇宙は基本的にすべて物質で構成されています。 7504>
科学者たちは、宇宙の原子の数を数え、それを私たちが見ているエネルギーの量と比較することによって、「まったく同じ」というのはまったく正しくないということを突き止めました。 宇宙が1兆分の1秒になった頃、どういうわけか自然の法則はわずかに物質の方向に偏っていたのです。 3,000,000,000個の反物質粒子に対して、3,000,000,001個の物質粒子が存在したのだ。 7504>
このパズルが1世紀近く前に理解されて以来、研究者は物質と反物質の研究を続け、物質の過剰を説明する素粒子の振る舞いを見つけることができないかと考えてきました。 物質と反物質は等量に作られていると確信していますが、クォークと呼ばれる一群の素粒子が、反物質よりも物質をわずかに好む振る舞いを示すことも観察されています。 その特別な測定は、K中間子と呼ばれる一群の粒子が関与する微妙なもので、物質から反物質に変換したり、また戻ったりすることができるのです。 しかし、物質から反物質への変換には、その逆と比較してわずかな違いがあるのです。 この現象は予想外で、その発見によって1980年にノーベル賞を受賞しましたが、その効果の大きさは、なぜ私たちの宇宙で物質が優勢なのかを説明するには十分ではありませんでした。 ニュートリノは素粒子の世界の幽霊である。 弱い核力だけで相互作用し、ほとんど相互作用することなく物質を通り抜けることができる。 スケール感を出すために、ニュートリノは核反応で最もよく作られ、世界最大の原子炉は太陽である。 太陽のニュートリノの半分を遮蔽するためには、深さ5光年ほどの固体の鉛の塊が必要です。 7504>
1998年から2001年にかけて、スーパーカミオカンデ検出器とオンタリオ州サドベリーのSNO検出器を使った一連の実験により、ニュートリノはもう一つの驚くべき振る舞いをすることが決定的に証明されました。 7504>
物理学者は3種類の異なるニュートリノを知っており、それぞれが電子、ミューオン、タウと呼ばれるユニークな素粒子の兄弟と関連していることを理解しています。 電子は電気を起こすもので、ミューオンとタウ粒子は電子に非常によく似ていますが、より重く不安定です。
電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノと呼ばれる3種類のニュートリノは、他の種類のニュートリノに “変身 “してまた戻ることが可能です。 このような振る舞いをニュートリノ振動と呼びます。
ニュートリノ振動は量子力学特有の現象ですが、それは、バニラアイスのボウルから始めて、スプーンを探しに行った後、ボウルが半分バニラ、半分チョコレートになっているのを見つけて戻ってくるのにおおよそ似ています。 7504>
反ニュートリノ振動
ニュートリノは物質粒子ですが、反ニュートリノと呼ばれる反物質のニュートリノも存在しています。 そして、それは非常に重要な問題につながります。 ニュートリノは振動するが、反ニュートリノも振動するのか、そしてニュートリノと全く同じように振動するのか。 最初の質問に対する答えはイエスだが、2番目の質問に対する答えは分かっていない。
もう少し詳しく、しかし単純化した方法で考えてみよう。 ミューオンと電子の2種類のニュートリノしかなかったとします。 さらに、純粋にミューオン型のニュートリノのビームがあったとします。 ニュートリノは特定の速度で振動し、光速に近い速度で動くので、それらが作られた場所からの距離の関数として振動します。 したがって、純粋なミューニュートリノのビームは、ある距離ではミューオンと電子のタイプの混ざったように見え、別の距離では純粋な電子のタイプになり、そしてまたミューオンだけに戻ってきます。 反物質ニュートリノも同じです。
しかし、もし物質と反物質ニュートリノがわずかに異なる速度で振動するなら、純粋なミューニュートリノまたはミューオン反ニュートリノのビームが作られた地点から一定の距離にいれば、ニュートリノの場合はミューオンと電子ニュートリノの混合物が見え、反物質ニュートリノの場合は反物質ミューオンと電子ニュートリノの異なる混合物が見えるだろうと予想されるでしょう。 実際の状況は、ニュートリノが3種類あることや、振動がビームエネルギーに依存することなどで複雑ですが、これらが大きな考え方です。
ニュートリノと反ニュートリノによる異なる振動数の観測は、宇宙が物質でできていることを理解するための重要な一歩になるだろう。 追加の新現象も成立しなければならないので、それが全てではないが、宇宙に物質が多い理由を説明するためには、物質ニュートリノと反物質ニュートリノの違いが必要である。
ニュートリノの相互作用を記述する現在の有力な理論では、ニュートリノと反ニュートリノが異なる振動をする可能性に敏感な変数がある。 その変数がゼロであれば、2種類の粒子は同じ速度で振動し、その変数がゼロと異なる場合は、2種類の粒子は異なって振動する。
T2K実験がこの変数を測定したところ、ニュートリノと反ニュートリノは同じように振動するという仮説と矛盾していることが分かりました。 もう少し技術的に言うと、彼らはこの変数に対して可能な値の範囲を決定しました。 その変数に対する真の値がその範囲内にある確率は95％で，真の変数がその範囲外にある確率は5％だけです。 7504>
より簡単に言えば，現在の測定はニュートリノと反物質ニュートリノが異なって振動することを示唆しているが，その確実性は決定的な主張をするレベルまで達していない。 実際，批評家たちは，このレベルの統計的有意性を持つ測定は非常に懐疑的に見るべきだと指摘しています。 しかし、これは非常に刺激的な最初の結果であることは確かで、世界の科学界は、より改良され、より正確な研究を見ることに非常に興味を持っています。 シカゴ郊外にあるフェルミ研究所では，NOVAと呼ばれる同様の実験がミネソタ州北部に向けてニュートリノと反物質ニュートリノの両方を発射し，T2K実験に打ち勝つことを望んでいます。 7504>
T2K実験の結果は決定的なものではなく、注意が必要ですが、確かに興味をそそられるものです。 なぜ我々の宇宙には評価できる反物質がないように見えるのかという疑問の重大さを考えると、世界の科学界は熱心にさらなる更新を待っていることでしょう。 著書に「The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014)があり、科学教育ビデオシリーズを制作している。 Facebookでフォローする。 本コメンタリーで述べられている意見は彼のものです。
Don Lincolnはこの記事をLive ScienceのExpert Voicesに寄稿しています。 Op-Ed & Insights.
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