空間から粒子が出現する様子を初めて捉えた――真空のゆらぎから質量が生じる可能性 (3/3)

クォーク閉じ込め、質量の起源、量子もつれ、空間――４つの大問題に開いた扉

なぜこの実験が、それほど大きな意味を持つのでしょうか。

研究チームは論文のなかで、今回の発見がいくつもの大きな謎に新しい光を当てると述べています。

一つ目は、「クォークはなぜ独り歩きできないのか」という長年の謎です。

先ほどちらっと触れたように、クォークには不思議な掟があります。

それは、単独では決して存在できないというもの。

必ず仲間と手をつないで、ラムダ粒子や陽子といった”集団”の形でしか姿を見せないのです。

どうしてそんな決まりがあるのか。

なぜクォークたちは一人ぼっちになれないのか。

物理学者たちは長年この謎を追い続けてきましたが、決定的な答えはまだ出ていません。

ところが今回、研究チームはクォークが真空から飛び出し、仲間と手をつないでラムダ粒子になるまでの道のりを、スピンという手がかりで初めて追いかけることに成功しました。

“なぜ独り歩きできないのか”という謎を、その現場を追跡することで解きほぐす──そんな新しい道が開かれたのです。

二つ目は、「物の重さはどこから来ているのか」という意外な謎です。

あなたの体にある陽子や中性子は、三つのクォークで出来ています。

ところが驚くべきことに、クォーク三つ分の重さをすべて足し算しても、陽子全体の重さの1パーセントにも届きません。

2012年に質量を与えるとされたヒッグス粒子がかかるのも、この1パーセントの部分で残りの99パーセントは、材料のどこにも存在しないのです。

では、その膨大な質量はどこから来ているのか。

これは現代物理学でもまだ決着のついていない、最大級の謎のひとつです。

ただ有力な答えの1つとして、物質の重さの大半は、クォークが”真空という沸き立つ海”と触れあうことで生まれている──というものがありました。

ここで鍵になるのが、真空にクォークと反クォークのペアが大量に湧いては消えを繰り返している状態、物理学では「クォーク凝縮」と呼ばれる現象です。

このペアたちと触れあいながら動き回るクォークは、真空の波との絡まりで抵抗のようなものを受け、結果として重く振る舞います。

この凝縮が質量の起源を支えていると考えられてきましたが、実験で直接調べる手立てがなかったため、長らく理論の計算式のなかでしか語れませんでした。

今回の発見はその状況を変えました。 ストレンジクォーク対のスピンの揃い方を調べることで、この真空凝縮そのものを直接覗き込めることが、初めて示されたのです。

（※陽子の質量の起源は複雑で、クォーク凝縮、運動エネルギー、グルーオン場の働きなどが絡み合って生まれていると考えられています。クォーク凝縮はその一翼を担う重要な要素です）

ストレンジは、私たちの体の材料ではありません。

しかし、真空で起きている”絡まり合い”の性質はアップにもダウンにもストレンジにも共通して現れると考えられています。

ストレンジという”代表選手”を通じて真空の内部をのぞき込めるようになったということは、あなたの体重の99パーセントを支えている”見えない海”の正体にも、同じ手法で近づいていけることを意味するのです。

三つ目は、宇宙が生まれた瞬間を探るための新しい道具になります。

ビッグバンから、ほんの一兆分の一秒後。

宇宙は想像を絶する灼熱の状態にありました。

あまりに熱くて、クォークたちは仲間と手をつなぐ余裕もなく、自由に飛び回っていたと考えられています。

このとき、真空の性質は今とはまったく違っていたはずだ──物理学者たちはそう予想しています。

今回の研究で生まれた「スピンで追跡する手法」は、この宇宙最初期の真空の性質を調べるための新しい道具になります。

つまり、宇宙の始まりの瞬間を実験で再現し、その中身を探る手段が手に入ったのです。

四つ目は、量子もつれの新しい実験舞台が生まれたことです。

今回、二つの粒子が近くに飛んだときはスピンが揃っていたのに、遠くに離れると揃いが消えていました。

これは、一緒に生まれた双子の”目に見えない絆”が、離ればなれになる途中で少しずつほどけていったと解釈されます。

物理学ではこれを「量子もつれが解けていく過程」（量子デコヒーレンス）と呼び、量子コンピュータの研究でも中心的なテーマになっています。

興味深いのは、この量子的な絆が、実験室の精密な装置ではなく、”真空にエネルギーを叩き込む”というだけで自然に現れたことです。

これは見方を変えれば、真空という”何もないはずの場所”そのものが、量子的な絆を生み出す母体である可能性を示唆しているのかもしれません。

粒子物理学という”極小の世界の学問”と、量子情報科学という”未来のテクノロジー”が、今回のデータを通じて手を取り合う──そんな予感を感じさせる結果なのです。