宇宙の謎に迫る壮大な研究。

日本で過去10年間にわたって積み重ねられてきた素粒子物理学研究の成果が、このほど学術雑誌『Nature』に掲載されました。東京大学宇宙線研究所のプレスリリースによれば、95%の信頼度でニュートリノと反ニュートリノの対称性の破れが示唆されたそうです。

宇宙にはどうして反物質よりも物質のほうが圧倒的に多いのか？

このとてつもなくスケールの大きい問題を解く鍵となりそうです。

宇宙の成分表

宇宙がなにでできているのかをざっくり分けてみると、ふつうの物質と、ふつうではない正体不明のダークマターと、ダークエネルギーになります。物質はさらに物質と反物質とに分けられます。

わたしたちの身の回りにあるモノはすべて物質でできており、クォークやレプトンと呼ばれる素粒子で構成されています。そして、それらの素粒子には電荷の正負が逆である以外はまったく同じ性質を持つ反粒子が存在している…はず。

ところが、宇宙が始まった時には素粒子も反粒子も同じ数だけ作られたはずなのに、現在の宇宙は粒子だらけ、物質だらけです。

もしいま、反粒子が粒子と同じぐらい存在していたら、そしてもしどちらもまったく同じ性質を持ち、まったく同じように物理の法則に従っているとしたら、反粒子と粒子が合わさったとたんに光子となって消滅してしまうため、それはそれでたいへんなことになってしまうのですが。

それにしても、なぜ物質と反物質の対称性が大きく破れているのか。これを説明しようと、もう何十年も前にアンドレイ・サハロフという著名な物理学者が三つの条件を提案しました。このうちもっとも検証しやすい条件が、CP対称性の破れと呼ばれるものです。

反物質はどこへ？

CP対称性とは、質量は同じで電荷（Charge）と運動の方向（Parity）が逆である粒子と反粒子は同じように物理の法則に従うよ、というルール。｢CP対称性が成り立っていると、鏡の向こう側とこちら側の世界のように粒子と反粒子は同じように振る舞う（東大プレスリリース）｣のですが、この基本的な対称性が破れていないと物質と反物質の対称性の破れも説明できません。

これまでの研究では、すでに陽子や中性子を構成しているクォークにおいてCP対称性の破れが確認されていました。しかし、残念ながらクォークの破れの大きさは現在の宇宙の物質の量を説明するには不十分でした。

そこでいま、電子やニュートリノなどを含む素粒子のカテゴリーであるレプトンにおいてもCP対称性の破れがないかどうかを測定する研究が注目されています。もしレプトンにもCP対称性の破れが確認できれば、なぜ反物質だけが少なくなってしまったのか、さらには宇宙の成り立ちさえも説明できると期待されています。

世界をリードする日本の研究

この難題に取り組んできたのが日本を拠点とするT2K実験国際共同研究グループです。

東大のプレスリリースによれば、｢T2K ｣とは｢Tokai to Kamioka｣を省略したもの。茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設J-PARCと、岐阜県飛騨市神岡町にあるニュートリノ検出器｢スーパーカミオカンデ｣とで連携して、レプトンの一種であるニュートリノにCP対称性の破れがないかを測定しました。

2010年から測定を続けてきた結果、現時点ではまだデータの精度に限界があり、対称性が破れているかどうかは確信を持って言及できないものの、おそらくニュートリノと反ニュートリノはそれぞれ違う振る舞いをしていることを突き止めました。

そもそもニュートリノとは電子の100万分の1以下の重さしか持たず、電気を帯びていないために他の物質とほとんど反応しないので非常に観測しづらい粒子。それをどのように測定したのでしょうか。

ニュートリノビーム

T2K実験では、まず東海村のJ-PARCで陽子をターゲットに当てて大量のミュー型ニュートリノを生成し、世界最強度のニュートリノビームを作り出しました。ニュートリノビームはJ-PARCサイト内でまず前置検出器によって一度測定されてから、295キロメートル離れたスーパーカミオカンデに打ち込まれました。

スーパーカミオカンデ内は5万トンの水に満たされており、水とニュートリノが反応してできた電子、または陽電子によるリング状の微弱光を観測する11,000本の光電子増倍管がタンクの内壁にびっしりと敷き詰められています。世界屈指の感度を誇るこの検出器でニュートリノビームを測定する頃には、ニュートリノの一部がニュートリノ振動現象によりミュー型から電子型ニュートリノに変化しています。この変化確率を測定するのがミソ。

次に、J-PARCの磁場を切り替えて反ミュー型ニュートリノを生成し、反ニュートリノビームをスーパーカミオカンデに打ち込みました。こちらも同じようにニュートリノ振動現象によりミュー型から電子型へ変化した確率を計算し、ニュートリノの場合と比較しました。

結果、電子型ニュートリノが90個、反電子型ニュートリノが15個観測されたそうです。電子型ニュートリノへの変化確率のほうが高いことから双方の振る舞いに違いがあったように見えますが、ここが科学研究の慎重たるところ。測定器が物質でできているがゆえに、物質であるニュートリノのほうが反ニュートリノよりも観測されやすいバイアスを考慮しなければならないそうで、この結果を見ただけで単純にニュートリノのCP対称性が破れているとは言い切れないようです。

破れの大きさ

ニュートリノ振動現象においてCP対称性が破れていると、ミュー型から電子型への変化確率にニュートリノと反ニュートリノとで違いが生じるそうです。東大のプレスリリースによれば、

破れの大きさを決める量はCP位相角と呼ばれ、-180度から180度の値を取り得ます。0度と180度であった場合はCP対称性が保存されていることに、それ以外の角度であった場合にはCP対称性が破れていることになります。CP位相角が-90度の場合には、電子型ニュートリノへの変化確率が最大に、反電子型ニュートリノへの変化確率が最小になります。90度ではその逆です。 …（中略）…観測された結果は、CP位相角が-90度である場合に予想される観測数に近く、CP位相角が90度の場合の予想観測数とは大きく異なりました。

これまでニュートリノを含むレプトンにおけるCP位相角の値はまったく知られていなかったそうで、T2Kプロジェクトの広報担当者・市川温子さんは｢世界で初めてニュートリノのCP位相角に強い制限をつけることに成功した｣と今回の研究成果について語っています。

ハイパーカミオカンデの時代

また、得られた結果はCP対称性の破れを95%の信頼度で示唆しているそうです。この信頼度を統計的手法で限りなく100％に近づけるためには、今後より精密な測定データを集める必要があり、次世代の実験としてスーパーカミオカンデの10倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデを使っての実験も計画されているとのこと。

T2Kプロジェクトの国際広報担当者であるFederico Sanchezさんによると、強度を高めたJ-PARCのニュートリノビームとハイパーカミオカンデの精度をもってなら、T2Kの20年分の測定データをたった1年で収集できるようになるのだとか！

ただし、この先研究が進んでニュートリノのCP対称性の破れを示す決定的な証拠をつかめたとしても、サハロフの三つの条件のうちひとつをクリアしたに過ぎません。

現在の宇宙はどうして物質ばかりなのか。反物質はどこへ消えてしまったのか。

これらの問いにはどうやらレプトンが関わっているようだと英ダラム大学のSilvia Pascoli教授（物理学）が米Gizmodoに語っていますが、その証拠を突き止めるにはまずレプトンやバリオンの数に変化を及ぼすまったく未知の自然現象ーーたとえば陽子が崩壊したり、ニュートリノが自滅したりといった事例を発見して、さらにその現象がどう物質と反物質の量に影響しているのかを測定する新しい理論モデルを生み出さなければならないのです。

宇宙の謎を解くまでの道のりは遠く、今後数十年かけての進展が期待されます。

｢今回の結果は巨大な建物を築き上げるための小さな石のようなもの｣とT2K広報担当のSanchezさんは話しています。｢正しい方向へ一歩進んだものの、謎はまだ解き明かせない｣。

Reference: Nature, 東京大学宇宙線研究所, T2K実験ホームページ