『反物質』(2010年)は、物理学で最も謎が多く誤解されているトピックのひとつ、反物質について詳しく解説した一冊です。この分かりやすいガイドでは、反物質とは何か、どのように作用するのか、そして宇宙について何を教えてくれるのかを説明します。
何が得られるのか？ 宇宙をわかりやすく見つめてみよう。
クォークやニュートリノからブラックホールや白色光まで、高度な物理学の分野は複雑な概念で満ちている。しかし、反物質ほど神秘的で誤解されているものはない。幸い、この要約では、この宇宙の謎を身近な言葉で解き明かしていく。難解な数式や複雑な方程式に煩わされることなく、この捉えどころのない物質の背後にある科学を解きほぐしていこう。
このわかりやすい概要は、アルプスの地下深くに埋設された世界最大の粒子加速器から、既知の宇宙の果てまで、あなたを導く。その過程で、反物質が日常的な物質と何が違うのか、そしてなぜ科学者たちを今なお困惑させ、魅了し続けるのかを学ぶ。この要約では、次のようなことを取り上げる。
- クォークがクォークでなくなる瞬間
- 物質を作ることが穴を掘ることに似ている理由
- アルプスに隠された秘密
反物質は通常の物質の鏡像である
1908年6月30日。モスクワの遥か東、シベリアの辺境の奥地で驚くべき出来事が起こった。何の前触れもなく、大地を揺るがす轟音。その爆発は700キロメートル先からでも目視できた。
熱は強烈で、60キロメートル先の銀食器さえも溶かすほどだった。これがツングースカ大爆発である。この巨大で不可解な爆発は、核爆発や隕石の衝突に匹敵するエネルギーを放出した。しかし当時、原子爆弾はまだ数十年先の話であり、現場で隕石は発見されなかった。では、この大惨事を引き起こしたのは何だったのか？ 可能性の一つが反物質である。
この不気味で捉えどころのない物質が日常的な物質と接触すると、宇宙的な規模のエネルギーを放出する。わずか1キログラムで、核融合の100倍もの強力な反応を引き起こしうるのだ。SFのように聞こえるかもしれないが、これは極めて現実的な話である。ここでの重要なポイントは、反物質は通常の物質の鏡像であるということだ。 では、反物質とは一体何なのか？ この問いに答えるには、まず通常の物質から始めるのが良い。
通常の物質は原子と呼ばれる小さな粒子から構成されている。原子は、陽子、中性子、電子といったさらに小さな荷電粒子からできている。原子の中心には正の電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子がある。その周囲を、負の電荷を持つ電子が回っている。水素のような単純な原子では、中心に一つの正の陽子があり、その周りを一つの負の電子が周回している。反物質も全く同じ構造を持つが、それが反転しているだけだ。
反水素原子は、通常の水素原子の鏡像である。中心には負の電荷を持つ陽子、すなわち反陽子が一つあり、その周りを陽電子と呼ばれる正の電荷を持つ電子が回っている。物質と反物質は、対極にありながら、存在するためには互いを必要としている。なぜか？ アインシュタインの相対性理論によれば、あらゆる物質の形態は本質的に、物理的形態に閉じ込められたエネルギーである。つまり、電子は純粋なエネルギーが粒子へと凝縮されたものだ。しかし、エネルギーそのものは中性であり、形態を変えることはできても、生成したり消滅させたりすることはできない。
そのため、エネルギーが負の電荷を持つ電子へと凝縮するときには、必ずその逆、すなわち正の電荷を持つ陽子も生成しなければならない。これは穴を掘る作業に少し似ている。地面を深く掘るためには、常に等量で逆向きの土の山を積み上げなければならないのだ。しかし、物質と反物質が接触すると、それらは互いを完全に消滅させる。そしてこの消滅により、それぞれの物質に閉じ込められていた莫大なエネルギーが、強烈なガンマ線バーストとなって放出される。引用：「反物質によって、物質のネガ像と共に、我々は創造の神々と接触するのだ。」
ディラックが陽電子を理論化した後、他の科学者が実際に発見した
ポール・ディラックはあまり口をきかなかった。実際、このイギリスの物理学者は、夕食会の間中、一言も話さずに座っていることがあったほどだ。しかし1928年、彼は物理学界を揺るがす問いを投げかけた。「負のエネルギーが実際に存在するとしたら？」と。長年、アインシュタインの理論が負のエネルギーの可能性を残していることは知られていたが、その考えを真剣に受け止めたのはディラックを含むごく少数だった。
難解な数学で埋め尽くされた論文の中で、彼は、我々が空っぽの真空として見ているものは、実は負のエネルギーの深く静かな海であると論じた。さらに、通常のエネルギーの一撃がその海を乱せば、負のエネルギーを持つ電子、すなわち正の電荷を持つ陽電子が生み出される可能性があると主張した。この提案により、ディラックは反物質の背後にある基本的な理論を概説した。当初は信じがたいものに思えたが、同時期に蓄積されつつあった実験的証拠が、その正しさを証明した。ここでの重要なポイントは、ディラックが陽電子を理論化した後、他の科学者たちが実際にそれを発見したということだ。
ディラックがイギリスで反物質を説明するための数学に取り組んでいた頃、カール・アンダーソンという研究者がカリフォルニアで研究に没頭していた。アンダーソンは霧箱を使ってガンマ線を調査していた。この特殊な装置は、空気中を移動する微細な粒子の軌跡を観察するのに役立つ。アンダーソンは、霧箱を通過するガンマ線が原子から電子を弾き飛ばすと予想していた。そして、解放された電子が霧箱内を移動する際に、研究可能な明確な軌跡を残すはずだと考えた。ところが、霧箱に磁場をかけたところ、奇妙な現象が起こった。
電子は負の電荷を持つため、すべての粒子の軌跡は磁場の正極に向かって曲がるはずと彼は考えていた。しかし、いくつかの軌跡は逆向き、すなわち負極に向かって曲がったのだ。このような結果が意味することは一つしかない。アンダーソンは陽電子を発見したのだ。だが、それらはどこから来るのか？ 別の科学者チーム、パトリック・ブラケットとジュセッペ・オッキアリーニがその答えを提供した。1932年、二人は上部に銅板を設置した独自の霧箱を組み立てた。
銅板は、太陽から放たれる強力なエネルギーの流れである宇宙線を捉えるためのものだった。宇宙線が銅板に衝突すると、アンダーソンが観察したものとよく似た曲線状の軌跡が生じた。当初、ブラケットとオッキアリーニはこの結果をどう解釈してよいか分からなかった。しかし、ディラックと議論した後、彼らは何が起こっているのかを理解した。
宇宙線が銅に衝突し、小さなガンマ線バーストを引き起こしたのだ。そのバーストが霧箱内のエネルギーを乱し、電子と陽電子の両方を生成した。まさに、ディラックの難解な方程式が予測していた通りである。反物質は現実のものとなった。
亜原子の世界は見かけよりもはるかに多様である
亜原子の舞台には三人の主役がいる。陽子、中性子、そして電子だ。誰もが名前を挙げられる有名な面々である。しかし実際には、はるかに多くの登場人物がいる。もっとも、この微細な役者たちの中には、極めて見つけにくい者もいるのだが。幸いなことに、1950年代から60年代にかけて、科学者たちは物理学の分野で、より捉えどころのない役者たちを発見し識別するための新たな技術を開発した。
ローレンス・バークレー国立研究所のベバトロンのような高度な粒子加速器を用いて、研究者たちは原子同士を加速させて衝突させた。これらの高エネルギー衝突により、陽子のような基本的な粒子はさらに小さな部分へと分離した。その結果、我々の現実に対する理解は劇的に深まった。ここでの重要なポイントは、亜原子の世界は見かけよりもはるかに多様であるということだ。 大まかに言えば、宇宙は二つのカテゴリーで構成されている。
一つ目はフェルミ粒子と呼ばれる物理的な実体からなるものだ。これらは質量を持つあらゆる粒子であり、物質（陽子や電子など）や反物質（反陽子や陽電子など）が含まれる。二つ目のカテゴリーには、非実体であるボース粒子が含まれる。これらは質量を持たない粒子だ。ボース粒子には、光を伝える光子や、重力を伝える重力子などがある。ディラックが反物質の存在を初めて提唱した当時、知られているフェルミ粒子は陽子、中性子、電子だけだった。科学者たちが陽電子を理解するために宇宙線を注意深く研究し始めると、他にも数多くの奇妙な粒子を発見した。
まず発見されたのは、重い電子の一種であるミューオンだ。そのすぐ後に、陽子のほんの一部のような軽量の粒子、パイ中間子が発見された。そして1968年、スタンフォード大学の科学者たちが飛躍的な進歩を遂げる。強力な粒子加速器を用いて、陽子に電子ビームを照射したのだ。そのビームの跳ね返りから、個々の陽子が実際には「クォーク」と呼ばれる三つのより小さな粒子から構成されていることが明らかになった。これらの最も基本的なフェルミ粒子には様々な種類がある。
正の電荷を持つアップクォーク、負の電荷を持つダウンクォーク、そして異常に重いストレンジクォークがある。驚くべきことに、ディラックの反物質理論は、この宇宙で最も小さな粒子であるクォークにさえも当てはまる。陽子と反陽子があるように、クォークと反クォークも存在する。この二つの粒子が遭遇すると、それらは短時間、K中間子と呼ばれる奇妙な粒子を形成する。しかし、この状態はクォーク同士が互いを消滅させるまでの、わずか十億分の一秒しか続かない。
反物質の理解は高度な技術に支えられている
牧歌的なスイスの風景を思い浮かべてみてほしい。澄み切った青空が見下ろす、野草の点在する緑の牧草地。遠くには、手つかずの雪を頂いたアルプスの山々がそびえ立つ。これ以上ない平和な光景だ。
しかし、この穏やかな田園地帯のすぐ地下には、まったく別の世界が広がっている。超高エネルギーのビームと高エネルギー爆発の世界だ。なぜなら、この牧歌的な風景の地下には、欧州原子核研究機構（CERN）が存在するからである。この巨大な研究施設には、大型電子陽電子衝突型加速器や、その後継機でさらに強力な大型ハドロン衝突型加速器など、人類がこれまでに創り出した最も先進的な技術のいくつかが収容されている。この意外な場所で、これらの強力な装置を使い、科学者たちはビッグバン直後の状態を再現し、反物質を制御する技術を習得し始めたのだ。ここでの重要なポイントは、反物質の理解は高度な技術に支えられているということだ。
反物質を研究するためには、科学者たちはいくつかの深刻な課題を克服する必要がある。最も明白な問題は、反物質が通常の物質と接触すると自己消滅してしまうことであり、通常の物質はありとあらゆる場所に存在する。そのため、粒子を高速で衝突させて陽電子や反陽子を生成することは比較的容易だが、生成物は通常、ほんの一瞬しか持続しない。反物質の制御は極めて困難だが、不可能ではない。そのプロセスは次のようなものだ。まず、粒子加速器によって陽子を光速に近い速度で衝突させ、反陽子を生成する。次に、これらの粒子を超低温の電子の場を通過させて減速させる。最後に、ペニングトラップと呼ばれる装置にそれらを蓄積するのだ。
この複雑な技術は、強力な磁場を用いて反物質粒子が消滅する前に隔離する。1995年、CERNの科学者たちはこの技術を用いて、単一の反陽子を生成し保存することに成功した。翌年には、改良された方法を用いて、史上初の反水素原子を作り出した。この初期の反原子生成実験の成果はわずか一秒しか持続しなかったが、CERNのチームは諦めなかった。
彼らはプロセスの改良を続け、2011年までには、一度に数分間安定して存在する反水素の集団を作り出せるようになった。反物質を制御するこれらの実験は、研究者たちがその特性を真に詳しく調べる機会を与えるため、極めて重要だ。反物質がどのように振る舞うかを監視することで、研究者たちは宇宙の創造に関する根源的な疑問の解明を目指している。なぜ物質はこれほど豊富に存在し、反物質はこれほど稀なのか？ この問題については、次のパートで検討する。
なぜ物質が反物質より優勢なのか、科学はまだ解明の途上にある
自分と全く互角の実力を持つ相手と、チェスをしているところを想像してほしい。実際、自分と相手はあまりにも似ていて、あらゆる手が完璧に鏡のように映し出される。こちらが相手の白のナイトを取れば、相手はこちらの黒のナイトを取る。相手がこちらの白のポーンを取れば、こちらは相手の黒のポーンを取る。
そうすると、最終的には盤上から駒が完全に無くなってしまうはずだ。さて、考えてみてほしい。物質と反物質もまた、互いに完全な鏡像である。理論上、ビッグバンは両者を等しい量だけ生成した。だとすれば、それらの明らかな対称性と相互消滅の性質を考慮すると、両者は打ち消し合って何も残らなかったはずだ。ところが我々は、物質で満たされた宇宙に存在している。これは一つの疑問を提起する。「なぜなのか？」と。
これが重要なポイントだ。科学は今もなお、なぜ物質が反物質よりも優勢なのかを解明しつつある段階にあるのだ。
多くの点で、物質と反物質は真に完全な対称性を持っている。反転した電荷を除けば、両者は全く同じように振る舞う。したがって、ビッグバンの後、それらは互いに消滅するか、分離して綺麗に半々に分かれた宇宙を形成したはずである。しかし、宇宙を深く観測すればするほど、宇宙は完全に物質によって支配されているように見える。つまり、我々が見逃している何らかの違いが存在するに違いない。K中間子はその可能性を示唆している。
この不安定な粒子は、それぞれ異なる重さを持つ一つのクォークと一つの反クォークから構成されている。K中間子はほんの一瞬しか存在できない。その束の間の存在の中で、エネルギーという形の「重さ」が振動と呼ばれるプロセスを通じてクォークと反クォークの間を行き来する。その結果、K中間子は時に物質であり、時に反物質となる。奇妙なことに、この振動は均等ではない。実験によれば、この粒子が通常のK中間子である時間の方が、反K中間子である時間よりもわずかに長いことが示されている。この微小な差異は今なお研究中だが、物質と反物質が実際にはわずかに非対称であり、それによって物質が優勢になる機会を得ていることを示唆している。
もう一つの手がかりは、電子の一万分の一という極小サイズながら豊富に存在する粒子、ニュートリノから得られる。ニュートリノは物質としても反物質としても現れうる。科学者たちは、ビッグバンの直後に「マヨロン」と呼ばれる粒子が崩壊し、両方の種類のニュートリノが生成されたという理論を立てている。しかし、それらのマヨロンの崩壊が不均等だったため、通常のニュートリノが優勢となり、我々の宇宙を現在の物質で満たされた状態へと導いたと考えられている。
反物質の実用的な利用は、まだ手の届かない未来の話だ
2004年3月。ケネス・エドワーズは、バージニア州アーリントンで開催されたNASA高等概念研究所の会議で演壇に立った。聴衆への挨拶を終えると、彼は反物質について語り始めた。厳粛で真剣な口調で、彼はわずか十億分の一グラムの反物質でも、都市ひとつを更地にするのに十分な爆発を引き起こしうると説明した。
聴衆は戦慄した。このスピーチは世界中で大きく報道された。この警戒の原因は何か？ 実はエドワーズは、空軍の革新的弾薬チームの責任者だったのである。彼の任務は、米軍が最先端の戦争兵器を開発するのを支援することだ。人々は、恐ろしい新たな軍拡競争が目前に迫っているのではないかと恐れた。
その恐れは正当なのだろうか？ 大地を揺るがす反物質爆弾の力が、近い将来の戦場を一変させるのだろうか？ 幸いなことに、その答えは「ノー」だ。今のところ、そのような兵器は完全にフィクションの域を出ない。ここでの重要なポイントは、反物質の実用的な利用は、まだ手の届かない未来の話だということだ。 周知の通り、反物質が物質と出会うと、その結果生じる消滅反応は想像を絶するエネルギーを放出する。
具体的に言うと、核反応では原子に蓄えられたエネルギーの約一パーセントが解放される。対照的に、物質と反物質の消滅は、そのすべてを解放する。この力を利用できれば、世界に革命を起こせるだろう。このエネルギーは甚大な破壊力を持つ兵器を生み出すことも、太陽系を超高速で航行するための燃料となることも可能だ。これほどの潜在能力があるにもかかわらず、なぜ我々は反物質の力をまだ活用できていないのか？ 理由の一つは、単純に量が不足しているからだ。
我々の世界はすべて物質でできているため、反物質を利用するには、まずそれを作り出さなければならない。これは途方もなく非効率なプロセスであり、膨大な時間、エネルギー、そして資金を必要とする。現在の技術では、わずか一グラムを生産するのに数十億年かかり、数兆ドルの費用がかかる。さらに、反物質をいったん生成したとしても、その保管には大量のエネルギーが必要だ。反陽子のような粒子は強い負の電荷を持つため、自然と互いに反発し合う。既存のペニングトラップ技術でごく微量以上の量を安全に保管しようとすれば、その物質が生み出せるエネルギーとほぼ同量の電力が必要になってしまうのだ。
しかし、こうした障壁があっても、人々の夢は終わらない。ニューメキシコ州サンタフェのポジトロニクス研究所のような機関は、反物質を安全に保管する方法を模索し続けている。一つの提案として、陽電子と電子を組み合わせて、電荷を持たないポジトロニウム原子を作り出すというものがある。磁場を慎重に操作すれば、そのような元素はより安定し、長寿命になる可能性がある。しかし科学者たちが再び大きなブレイクスルーを達成するまでは、反物質エンジンや爆発装置のいかなる設計図も、構想段階にとどまり続けるだろう。反物質は現実の物質であり、理解するのも難しく、研究するのはさらに難しいのだ。
最後のまとめ
陽電子や反陽子といった反物質の粒子は、通常の物質の粒子を反転させた鏡像である。もし物質と反物質が出会えば、それらは互いに消滅し、膨大なエネルギーを放出する。ポール・ディラックのような数学者が優美な方程式で反物質の特性を描き出し、CERNの科学者たちが実験室で微量のそれを作り出してきたが、反物質が近い将来、実用化される可能性は低い。
