物質と反物質が手を取り合い「1つの波」として揺れていたと判明──100年の空白を埋める世界初観測

電子と陽電子は、消える前に“ひとつ”だった

量子力学の中心には「粒子は波でもある」という奇妙な原理があります。

この原理を最もわかりやすく示すのが二重スリット実験です。

壁に2つの細い隙間を開けて粒子を飛ばすと、向こう側に明暗の縞模様が現れます。

これは波が2つの隙間を同時に通り抜け、互いに強め合ったり打ち消し合ったりする「干渉」の証拠です。

粒子なのに波のように振る舞う──この発見が量子力学の出発点になりました。

じつは、この二重スリット実験には「親戚」がいます。

スリットの代わりに、原子が規則的にびっしり並んだ結晶に粒子を通す方法です。

規則的な格子も波を振り分ける働きをするため、二重スリットと同じ原理で干渉のパターンが現れます。

こちらは「回折」と呼ばれます。

電子で「粒子は波」を示す実験としては、この結晶回折のほうが先輩格です。

1924年、フランスの物理学者ド・ブロイが「あらゆる粒子は波としての性質を持つ」と提唱しました。

その3年後の1927年、アメリカのデイヴィソンとガーマーがニッケル結晶に電子を当てて回折パターンを観測し、物質波の存在を世界で初めて実証しました。

電子の二重スリット実験が実現するのはそれから34年後の1961年のことですから、結晶回折は二重スリットの「兄」にあたる実験と言えるでしょう。

この「粒子は波でもある」がどこまで通用するのか、物理学者たちは100年かけてひとつずつ確かめてきました。

電子のあと、ヘリウム原子や中性子、さらにはフラーレンというサッカーボール型の巨大分子でも、波としての振る舞いが確認されました。

1980年には反物質である陽電子も結晶で回折することが確認され、2019年には陽電子だけで干渉計実験まで実現しています。

ところが、「物質＋反物質のペア」という組み合わせだけは、空欄のままでした。

私たちの体をつくっている電子には、「陽電子」という双子のきょうだいがいます。

質量はまったく同じ。

電荷だけが正反対。

いわゆる反物質です。

物質と反物質が出会うと対消滅する──SFでおなじみの設定ですが、じつは出会った瞬間にドカンといくわけではありません。

電子と陽電子がちょうどいい条件で近づくと、互いの電荷に引かれて結びつき、共通の重心のまわりをぐるぐる回り合うペアになります。

宇宙空間で質量の等しい2つの星が引力で結ばれ、互いを中心に踊り合う二連星──そんなイメージです。

こうしてできる束の間のペアが「ポジトロニウム」です。

ただし、二連星と決定的に違う点があります。

二連星は明確な軌道を描くので、互いがぶつかることは基本的にありません。

しかし量子力学の世界では、粒子は「確率の雲」としてぼんやり広がって存在しています。

電子の雲と陽電子の雲は、束縛されているあいだ常にある程度重なり合っており、「2つの粒子が同じ場所に居合わせる」確率がゼロにはなりません。

といっても、雲の重なりそれ自体はとくに珍しいことではありません。

電子どうしは同じ原子のなかで複数共存していますし、原子核と電子もずっと雲を重ね合わせたまま安定しています。

雲が重なっているだけでは、ふつう何も起こらないのです。

しかし物質と反物質の組み合わせだけは別格です。

電子と陽電子のあいだには、出会うと対消滅する、という反応経路が、自然界にもともと用意されています。

雲が重なり合っているあいだ、ポジトロニウムはこの反応経路の入り口に常時居続けている状態にあるのです。

ある瞬間に対消滅が起こる確率はごくわずか。

しかし、ゼロではありません。

そしてゼロでない確率は、コインを何億回も投げ続ければいつか必ず表が出るように、時間さえ経てば必ず実現します。

ポジトロニウムの場合、その「いつか」が平均して142ナノ秒（10億分の142秒）で訪れます。

（※ポジトロニウムにはもうひとつのタイプもあり、そちらは平均125ピコ秒（1兆分の125秒）というさらに短命で消えてしまうのですが、今回の実験で利用されるのは長持ちするほうの「142ナノ秒タイプ」です。）

人間にとっては142ナノ秒も一瞬ですが、この超短時間のあいだに、ポジトロニウムは確かに物質と反物質の複合体として存在しています。

原子核と複数の電子から成る原子や、フラーレンのようなより多くの原子核と電子からなる巨大分子が1つの波として振る舞うなら、物質と反物質の刹那の複合体も1つの波として振る舞う瞬間があるのか？

これまでそれを確かめることはできていませんでした。

そこで今回、東京理科大のチームは100年前に始まった量子力学の物語で、ポジトロニウムに残っていた重要なピースを埋めるべく実証実験を行うことにしました。