反世界が失われるには素粒子と反素粒子の世界は微小なズレが必要だ。ズレの理論はB中間子の世界で約百%のズレがあると予言した。この予言を今年、日本と米国が競って確認した。まだ反世界が失われるいきさつの理解はできていないが、ズレは理解できた。反素粒子、ズレ、ズレの理論、予言、予言の確認などを説明したい。わたしたちが住むこの宇宙はビッグバンで始まった。宇宙全体が針の先より小さな空間に押し詰められた状態から宇宙創造が始まる。ピストンの中のガスを圧縮したら温度が上がるように、宇宙全体がこのような小さな体積に押し込められたら、莫大な温度になる。この温度がわたしたちの考えられる最高の温度である。この球の中で粒子が衝突し合うと、解体可能な粒子は全て解体され、初期宇宙は最も基本的素粒子のスープ状態になる。このようにして基本的素粒子と初期宇宙に関係がつき、世界で最も小さな素粒子と最も大きな宇宙の研究が結びつく。図1:大爆発で創造された宇宙は素粒子のスープであった。我々の知っている全ての素粒子に対して、それぞれ反素粒子という相棒が存在する。反素粒子は同質量だが、電荷など様々な性質が素粒子と全く正反対である。陽子には反陽子、中性子には反中性子、電子には陽電子という相棒がいる。質量mの粒子とそれと全く同じ質量の反粒子が衝突すれば消滅し合い、アインシュタインの有名な式 によってエネルギーに変わる。またその逆反応、エネルギーから粒子と反粒子を生成することも可能である。図2:湯を沸かしたとき、蒸気のあぶくが発生し、上に向かって運動する。白い粒のように見えるが、実際は蒸気のあぶく、つまりそこだけ液体がない状態である。反粒子は同じように粒子の無い状態と考えられる。
なぜ反世界はないのか
我々が住むこの宇宙は光やその他、様々な素粒子を構成する基となる基本粒子と同量の反基本粒子が小さな空間に閉じ込められ、ものすごく高いエネルギーの火の玉状態であった。この火の玉状態は大爆発後、すごい勢いで膨張し、宇宙の温度は下がりエネルギーから粒子と同量の反粒子が生成され、それらの粒子が統合し原子が生成され、ガスができ、それらが固まって星となり、我々の宇宙ができ、地球ができ、我々が生まれた。ここに大きなパズルが存在する。粒子と全く同量の反粒子が存在するのだから、この世界と全く同じ反世界ができるはずである。でも、わたしたちが観測できる範囲では反宇宙は存在しない。もし1グラムの反物質がこの地球に存在したら同量の物質と消滅し合い、原子爆弾が爆発したようなエネルギーを放出する。そのような爆発が地球上で起こったら大ニュースになる。宇宙には数多くの素粒子が飛んでいて、その中の一部が地球の大気に突入し、宇宙線として観測される。この中には反粒子が含まれていない。
では惑星や、銀河はどうだろうか
月は反物質でできていない。宇宙飛行士が月面を歩けたことから分かる。銀河と銀河が衝突しているところは観測されているが、銀河と反銀河が衝突しているところは観測されない。
もし銀河と反銀河が衝突すれば消滅された物質と反物質がエネルギーとなり、その一部が光となり夜空が明るくなるだろう
反世界が存在すれば、この世界とお互いに消滅し合い、世界も反世界も存在できず、光の宇宙に戻る。
なぜ反世界だけが失われたのか
なぜわたしたちの住む銀河、この地球が存在するのだろう
なぜわたしたちはこの世に存在しているのか
このパズルを解く鍵はサハロフによって発見された。素粒子と反素粒子が全く同量に存在しても、素粒子の反応のしかたと反素粒子の反応のしかたに多少の違い、ズレ、があれば反世界が失われたことが説明できる。ほんの微小なズレで反世界が失われるのだ。図3:もし世界と反世界が存在したら、お互いに消滅し合う。わたしたちの宇宙には反世界が観測されていない。
素粒子と反素粒子の反応の違い
原子核を束縛する力、電磁気の力などは素粒子の間に働く力と反素粒子の間に働く力の間にズレは発見されていない。従って長い間そのようなズレは存在しないと思われていた。ところが、1965年にベータ崩壊を起こす弱い相互作用に、このようなズレをクローニンとフィッチによってK中間子の崩壊で発見された。この発見は当時の物理学者に大きな衝撃を与え、さまざまな理論が提唱された。その中の一つが小林・益川模型である。
B中間子崩壊で予言されたズレの観測
このズレが発見されて16年後にB中間子が発見された。小林・益川模型を使って計算すると、なんとB中間子の崩壊では100%近いズレがあることが予言された。この予言を確認することにより、反世界が失われた過程を理解するのに大きく前進する。ところが、この予言を確認するのは容易ではない。なにしろB中間子は不安定で、わずか秒で数多くの粒子に崩壊してしまう。従ってB中間子を研究するには、まず加速器を建設してB中間子を生成する。電子と陽電子をある一定のエネルギーに加速し、衝突させそのエネルギーからB中間子と、その反粒子、反B、をペアーで生成させる。さて、観測するB中間子を生成したら、その崩壊を観測する。
不安定な素粒子の性質を研究するにはまずその素粒子の飛跡を観測する必要があるがこの寿命では、Bの飛跡はわずか
5mmしか飛ばない)、現在の技術では不可能である。従って、非対称電子陽電子衝突加速器、つまりエネルギーの異なる電子と陽電子を衝突させる加速器を建設する必要があった。
この加速器ではB中間子のエネルギーが高くなるので飛跡が
このぐらいなら現在の最先端技術があれば測定できる。1年間で結果を出すには秒おきに電子と陽電子を衝突させる必要がある。
従って秒の内にB崩壊か反B崩壊か確認し、02mmの飛跡を測定し、データを全て書き込まなければいけない。でも、当時そんな加速器を建設するのは不可能と考えられていた。ところが日本の高エネルギー物理学研究所とアメリカのスタンフォード線形加速器研究所が検討している内に建設可能なことが解った。これこそ最先端技術の競争である。この学問と技術の競争は、いい意味で両国の科学者を刺激している。建設が始まってから6年後、今年の7月両研究所で同時に100%近いCP非対称性が発見された。図:このような3千万個の素粒子反応を解析して物質と反物質の反応の違いを発見した。光で生体分子の力を測る。
生体システムの「やわらかさ」をうみだすダイナミックな分子ネットワーク
それを構成する蛋白質分子機械の仕組みを解明するために開発してきた、生体分子1個をレーザーで観る、操る、そして測る技術を紹介します。