科学者は謎を探求することに夢中です。謎が大きければ大きいほど、熱意は大きくなります。科学にはたくさんの未回答の質問がありますが、大きくなると、「何もないのではなく、なぜ何かがあるのか」を打ち負かすことは困難です。
それは哲学的な質問のように思えるかもしれませんが、それは科学的探究に非常に敏感です。もう少し具体的に言うと、「なぜ宇宙は人類の生命を可能にする種類の物質でできているので、この質問をすることさえできるのですか？」日本で研究を行っている科学者たちは先月、最も魅力的な問い合わせに直接対処する測定を発表しました。彼らの測定は現在の理論の最も単純な期待に同意せず、この時代を超越した質問の答えに向けることができるようです。
彼らの測定は、特定の亜原子粒子のセットに対して、物質と反物質は異なる働きをすることを示しているようです。
マター対アンチマター
日本の東海にあるJ-PARC加速器を使用して、科学者たちはニュートリノと呼ばれる幽霊のような亜原子粒子のビームとその反物質の対応物（反ニュートリノ）を地球を通して、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、宇宙が物質でできている理由を決定するために設計されました。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は、この非常に厄介な問題にいくつかの光を当てるかもしれません。
宇宙が物質でできている理由を尋ねるのは奇妙な質問のように聞こえるかもしれませんが、科学者がこれに驚いている非常に良い理由があります。それは、物質の存在を知ることに加えて、科学者は反物質も知っているからです。
1928年、イギリスの物理学者ポールディラックは、物質の敵対的な兄弟である反物質の存在を提案しました。等量の物質と反物質を組み合わせると、2つは互いに消滅し、結果として膨大な量のエネルギーが放出されます。そして、物理学の原則は通常逆に同じようにうまく機能するため、驚異的な量のエネルギーがある場合、それは物質と反物質の正確に等しい量に変換できます。 Antimatterは1932年にアメリカ人のカールアンダーソンによって発見され、研究者はその性質を研究するために1世紀近くも過ごしてきました。
しかし、その「正確に等しい量に」というフレーズは、難問の核心です。ビッグバン直後の短い瞬間、宇宙は活気に満ちていました。それが膨張して冷却されると、そのエネルギーは同等の部分物質と反物質の亜原子粒子に変換されているはずです。しかし、私たちの宇宙は本質的に完全に物質で構成されています。それはどういうことですか？
宇宙の原子の数を数え、それを私たちが目にするエネルギーの量と比較することにより、科学者たちは「完全に等しい」はまったく正しくないと判断しました。どういうわけか、宇宙が1兆10分の1秒前のものだったとき、自然の法則は物質の方向に少しずつ歪んでいました。 3,000,000,000反物質粒子ごとに、3,000,000,001物質粒子がありました。 30億の物質粒子と30億の反物質粒子が結合し、エネルギーに消滅して、わずかな物質が過剰になり、今日の宇宙を構成します。
このパズルが1世紀近く前に理解されて以来、研究者たちは物質と反物質を研究して、物質の過剰を説明する亜原子粒子の振る舞いを見つけることができるかどうかを確認してきました。彼らは物質と反物質が同量で作られると確信しているが、クォークと呼ばれる亜原子粒子のクラスが反物質よりもわずかに物質に有利な振る舞いを示すことも観察した。その特定の測定は微妙であり、物質から反物質に変換したり、元に戻したりできるK中間子と呼ばれる粒子のクラスを含みました。しかし、逆の場合と比較して、反物質に変換する物質にはわずかな違いがあります。この現象は予想外であり、その発見により1980年のノーベル賞が授与されましたが、その影響の大きさは、なぜ宇宙で物質が支配的であるかを説明するには不十分でした。
幽霊のような梁
したがって、科学者たちは彼らの行動が過剰な物質を説明できるかどうかを見るために、ニュートリノに注意を向けました。ニュートリノは亜原子世界の幽霊です。弱い核力のみを介して相互作用し、ほとんど相互作用せずに物質を通過できます。スケール感を与えるために、ニュートリノは最も一般的に核反応で作成され、周囲の最大の原子炉は太陽です。太陽ニュートリノの半分から身を守るためには、深さ約5光年の固い鉛の塊が必要です。ニュートリノは実際にはあまり相互作用しません。
1998年から2001年の間に、一連の実験（スーパーカミオカンデ検出器を使用した実験と、オンタリオ州サドベリーでのSNO検出器を使用した実験）によって、ニュートリノも別の驚くべき挙動を示すことが明らかになりました。彼らはアイデンティティを変える。
物理学者は3つの異なる種類のニュートリノを知っており、それぞれが電子、ミューオン、トースと呼ばれるユニークな亜原子兄弟に関連付けられています。電子は電気を発生させるものであり、ミュー粒子とタウ粒子は非常に電子に似ていますが、重くて不安定です。
電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノと呼ばれる3種類のニュートリノは、他のタイプのニュートリノに「変形」し、再び戻ることができます。この振る舞いはニュートリノ振動と呼ばれています。
ニュートリノ振動は独特の量子現象ですが、バニラアイスクリームのボウルから始めるのとほぼ同じです。スプーンを見つけたら、戻ってボウルがバニラとチョコレートの半分であることを確認します。ニュートリノは、アイデンティティを完全に1つのタイプから、タイプの混合、完全に異なるタイプ、そして元のタイプに戻します。
反ニュートリノ振動
ニュートリノは物質の粒子ですが、反ニュートリノと呼ばれる反物質ニュートリノも存在します。そして、それは非常に重要な質問につながります。ニュートリノは振動しますが、反ニュートリノも振動し、ニュートリノとまったく同じように振動しますか？最初の質問に対する答えは「はい」ですが、2番目の質問に対する答えは不明です。
これをもう少し完全に、簡単に考えてみましょう。ニュートリノのタイプが2つしかなかったとします。ミューオンと電子です。さらに、純粋にミュー粒子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、光の速度に近づくため、作成さ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、純粋なミュー粒子ニュートリノのビームは、ある距離ではミュー粒子と電子タイプの混合のように見え、次に別の距離では純粋に電子タイプになり、ミューオンのみに戻ります。反物質ニュートリノも同じことをします。
ただし、物質と反物質のニュートリノがわずかに異なる速度で振動する場合、純粋なミューニュートリノのビームまたはミュー反ニュートリノのビームが生成されたポイントから固定距離にある場合、ニュートリノの場合には、ミューオンと電子ニュートリノの1つのブレンドですが、反物質ニュートリノの場合、反物質ミューオンと電子ニュートリノの異なるブレンドが表示されます。ニュートリノには3種類あり、振動はビームエネルギーに依存するため、実態は複雑ですが、これらは大きなアイデアです。
ニュートリノと反ニュートリノによる異なる振動周波数の観測は、宇宙が物質でできているという事実を理解するための重要な一歩となるでしょう。追加の新しい現象も成立しなければならないので、それは全体の話ではありませんが、物質と反物質ニュートリノの違いは、なぜ宇宙にもっと物質があるのかを説明するために必要です。
ニュートリノの相互作用を説明する現在の一般的な理論には、ニュートリノと反ニュートリノが異なって振動する可能性に敏感な変数があります。その変数がゼロの場合、2つのタイプの粒子は同じ速度で振動します。その変数がゼロと異なる場合、2つのパーティクルタイプの振動は異なります。
T2Kがこの変数を測定したとき、ニュートリノと反ニュートリノが同じように振動するという仮説と一致しないことがわかりました。もう少し技術的には、この変数の可能な値の範囲を決定しました。その変数の真の値がその範囲内である可能性は95％であり、真の変数がその範囲外である可能性はわずか5％です。 「差異なし」の仮説は95％の範囲外です。
簡単に言うと、現在の測定では、ニュートリノと反物質ニュートリノの振動が異なることが示唆されていますが、確実性は明確な主張をするレベルには達していません。実際、批評家は、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られるべきだと指摘しています。しかし、それは確かに非常に挑発的な最初の結果であり、世界の科学界は改善されたより正確な研究を見ることに非常に興味があります。
T2K実験は、最終的な測定を行うために追加のデータを記録し続けますが、町で唯一のゲームではありません。シカゴの郊外にあるフェルミラボでは、NOVAと呼ばれる同様の実験がニュートリノと反物質ニュートリノの両方をミネソタ州北部に向けて発射し、T2Kを打ち負かすことを期待しています。そして、将来を見据えて、Fermilabは、この重要な現象を研究するためのはるかに優れた能力を持つDUNE（ディープアンダーグラウンドニュートリノ実験）と呼ばれる主力実験となるものに懸命に取り組んでいます。
T2Kの結果は決定的なものではなく、注意が必要ですが、確かに食欲をそそります。なぜ私たちの宇宙には相当な反物質がないように見えるのかという問題の巨大さを考えると、世界の科学界はさらなる更新を熱心に待ちます。
