原子の中に第5の自然の力が発見されたかもしれない

4つの力では足りない理由

私たちの知る限り、自然界の基本的な力は重力、電磁気力、強い力、弱い力の四つです。

しかし、標準模型が説明できない宇宙の謎（例えば暗黒物質の存在や物質と反物質の非対称性など）を解き明かすため、これまでの理論にない「第五の力」の存在がしばしば議論されてきました。

中でも有力な仮説の一つが、電子と中性子の間に作用する未知の力です。

４つの力と第５の力とは？

私たちの世界を動かしている基本の「糸」は、重力・電磁気力・強い力・弱い力の四つだけだと長く教えられてきました。重力はリンゴを落とし惑星を束ねる“引き寄せ”の糸、電磁気力は磁石をくっつけたり光を走らせたりする“電気と光”の糸、強い力は原子核の中で陽子と中性子をがっちり結ぶ“超強力接着剤”の糸、弱い力は放射性崩壊を起こして星を光らせる“変身トリガー”の糸です。ところが宇宙には暗黒物質や物質・反物質の非対称など、四本の糸では編み上がらない模様が残っています。そこで物理学者は「もしかすると、まだ見えていない“第５の力”が細く隠れていて、電子と中性子の間など極小の距離でそっとささやいているのではないか」と考えました。電子は原子の外側を回る軽やかな粒、いっぽう中性子は原子核の中で陽子と肩を並べる重い粒――普通は強い力や電磁気力で直接くっつきませんが、もし電子と中性子の間を取り持つ未知の“ささやき役”の粒子（ユカワ粒子など）が存在すれば、原子全体のエネルギーをほんのわずかに揺らし、その余韻が電子の色（遷移周波数）の違いとして現れるはずと考えられています。

もしそのような力（それを媒介する未知の粒子）が存在すれば、原子核内の中性子と原子を取り巻く電子の相互作用に微小な影響を及ぼし、原子のスペクトル（遷移周波数）のわずかな変化として現れる可能性があります。

新たな力の探索は大型加速器での高エネルギー実験だけでなく、原子やイオンを用いた精密分光実験でも行われています。

複数の同位体を持つ元素では、同位体ごとに電子遷移の周波数がわずかに異なる（同位体シフト）ため、それを精密に測定して比較すれば標準模型を検証し、新しい相互作用の存在を探ることができます。

特にカルシウム（元素番号20）は、原子の「兄弟違い」にあたる同位体が5種類（^40Ca、^42Ca、^44Ca、^46Ca、^48Ca）そろっています。しかもこれらの同位体は、原子核がほとんど回転していない（核スピン＝0）ため、余計な複雑さが入らず互いの違いをそのまま比べやすい──実験にうってつけの素材なのです。

この研究ではカルシウム原子の同位体シフトを前例のない精度で測定し、未知の力の効果を絞り込むことを目的としました。

「キングプロット」と呼ばれる手法では、ある原子の複数同位体における二つの異なる電子遷移の周波数差をプロットし、一直線（＝線形）になるかどうかで標準模型からのずれを検出します。

従来の研究でもこの方法で新しい力の兆候を探ってきましたが、今回は測定精度と感度を飛躍的に高めています。

精密分光実験は大型加速器に比べて小規模かつ低コストで、新たな物理法則を探る有力な代替手段として注目されています。

十分な精度があれば、加速器では捉えにくい微かな粒子の影響を検出できる可能性があるのです。