なぜ宇宙はビッグバンの直後に自己消滅しなかったのか。フランス・スイス国境にあるCERNでの新しい発見により、物質がその対極である反物質を支配している理由について、この根本的な疑問への答えに我々は近づいている。
日常生活で目にするもののほとんどは物質でできている。しかし反物質は非常に少量しか存在しない。物質と反物質はほぼ正反対の存在である。物質粒子には、同じ質量を持つが電荷が正反対の反物質の対応粒子がある。例えば、物質の陽子粒子は反物質の反陽子と対をなし、物質の電子は反物質の陽電子と対をなしている。
しかし、物質と反物質の間の行動の対称性は完全ではない。今週Natureに発表された論文で、CERN のLHCbと呼ばれる実験に取り組むチームは、バリオンと呼ばれる物質粒子が崩壊する速度と、その反物質対応粒子の崩壊速度に違いがあることを発見したと報告した。素粒子物理学において、崩壊とは不安定な亜原子粒子が2個以上のより軽く、より安定した粒子に変換される過程を指す。
宇宙論モデルによると、ビッグバンでは等量の物質と反物質が作られた。物質と反物質の粒子が接触すると、互いに対消滅し、純粋なエネルギーを残す。このことを考えると、宇宙がこの対消滅過程から残ったエネルギーのみで構成されていないことは驚きである。
しかし、天文観測は現在の宇宙には物質の量と比較して無視できる程度の反物質しか存在しないことを示している。したがって、物質と反物質は異なる振る舞いをし、反物質が消失する一方で物質は消失しなかったに違いないということが分かる。
物質と反物質の間のこの行動の違いを引き起こす原因を理解することは、未解決の重要な疑問である。我々の最良の基礎量子物理学理論である標準模型では物質と反物質の間に違いはあるものの、これらの違いはすべての反物質がどこに行ったかを説明するには小さすぎる。
したがって、我々がまだ発見していない追加の基本粒子、または標準模型で記述されたもの以外の効果が存在するはずである。これらが物質と反物質の行動に十分大きな違いを生み出し、現在の形の宇宙が存在できるようになったのである。
新粒子の発見
物質と反物質の違いの高精度測定は、これらの新しい基本粒子に影響を受け、それらを明らかにする可能性があるため、重要な研究トピックである。これにより、今日我々が住む宇宙につながった物理学を発見する助けとなる。
物質と反物質の違いは以前にも、クォークと反クォークでできた別のタイプの粒子であるメソンの行動で観測されている。さらに別のタイプの粒子であるニュートリノの物質版と反物質版が移動する際の行動の違いを示唆する証拠もある。
LHCbからの新しい測定では、それぞれ3個のクォークと3個の反クォークでできたバリオンと反バリオンの間の違いが発見された。重要なことに、バリオンは我々の宇宙の既知の物質の大部分を構成しており、この粒子グループで物質と反物質の違いを観測したのは初めてである。
Large Hadron ColliderでのLHCb実験は、物質と反物質の行動の違いを高精度で測定するよう設計されている。この実験は24カ国に拠点を置く1,800人以上で構成される国際的な科学者協力によって運営されている。新しい結果を達成するため、LHCbチームは80,000個以上のバリオン（ビューティークォーク、アップクォーク、ダウンクォークで構成される「ラムダb」バリオン）とその反物質対応粒子を研究した。
重要なことに、我々はこれらのバリオンが特定の亜原子粒子（陽子、カオン、2個のパイオン）に崩壊する頻度が、反粒子で同じ過程が起こる速度よりもわずかに高い—5%多い—ことを発見した。小さな違いだが、この違いは統計的に十分有意であり、バリオンと反バリオンの崩壊の行動の違いの初の観測となった。
これまで、物質-反物質の違いのすべての測定は、標準模型に存在する小さなレベルと一致していた。LHCbからの新しい測定もこの理論と一致しているが、これは大きな前進である。我々は今、宇宙の既知の物質を支配する粒子グループで物質と反物質の行動の違いを確認した。これは、ビッグバン後にその状況がなぜ生じたかを理解する方向への潜在的な一歩である。
LHCbの現在と今後のデータ取得により、我々はこれらの違いを詳細に研究し、存在する可能性のある新しい基本粒子の兆候を見つけ出すことができることを期待している。