「力そのものが物質になった粒子」をついに発見か──物理学が50年探した幻

物質ではなく「力」だけでも粒子になれる

私たちの体も、机も、夜空の星も、細かく砕いていけば原子になり、原子の中心には陽子や中性子が詰まっています。

そしてその陽子や中性子も、さらに小さな「クォーク」という粒が3つ集まってできています。

ところが、クォークをいくら集めても、それだけでは陽子や中性子という形あるまとまりになりません。

バラバラのクォークを固く貼り合わせる”接着剤”のような結びつける力の役割を果たす粒子(グルーオン)が働いて初めて、陽子や中性子が形になり、原子が、そして私たちの世界ができあがります。

つまり万物は「物質を作る粒子」と「力を伝える粒子」のセットでできているのです。

より砕けて言えば「材料」と「接着剤」のセットとも言えるでしょう。

実際、力を伝える粒子である「グルーオン」という名前自体も英語で「接着剤」の意味をもつグルー(glue)が含まれています。

そしてこの接着剤には、他の粒子にない奇妙な性質があると考えられていました。

それは「接着剤自身が、接着剤にくっつく」ということです。

たとえば光(光子)は電磁気の力を運びますが、光同士が直接くっついて塊になることはありません。

しかしグルーオンは自分同士でも結びつくため、理論上は材料のクォークが1つもないまま、接着剤だけが丸まった塊が存在できてしまうのです。

この「純粋な力の塊」こそがグルーボールです。

しかし困ったことに、グルーボールは普通の粒子とよく似た姿で現れるため、決定的な見分け方がなかなかありません。

そんな中で浮上した最有力候補が、2011年に北京の実験で発見された粒子「X(2370)」でした。

(※Xは「正体不明」を、数字はおおよその重さを表しています。)

その重さが、理論の予言するグルーボールの範囲にぴったり収まっていたのです。

ただこのときは、「本物のグルーボールなのか、それともクォークでできた普通の粒子なのか」という区別がつかないままでした。

体重だけで誰かを決められないのと似ていると言えるでしょう。

そこで研究チームは、候補止まりの状況を打ち破るべく、「クォークを含まないこと」をあぶり出す検証に挑みました。

「力が固まって物質になる」という新常識

グルーボールの最大の特徴は、「クォークを1つも含まない」ことです。

クォークには6つの種類があり、物理学ではこれを「フレーバー(風味)」と呼び分けています。

陽子や中性子などの粒子はクォークという材料からできているため、壊れるときには中に含まれるクォークの性質を反映した、特徴的な壊れ方をします。

たとえば、ストレンジクォークという種類を材料に含む粒子が壊れると、ストレンジクォーク入りの破片(φ中間子)が飛び出してきやすくなります。

一方、アップクォークとダウンクォークでできた粒子が壊れたときに飛び出してきやすいのは、それら2種類を含む別の破片(ω中間子)になります。

これに対し、中身が接着剤だけのグルーボールには、破片に引き継がせる材料がそもそも1つもありません。

それでも壊れたときにはクォーク入りの破片が飛び出してきます。

破片のクォークはどこから来たのかというと、親から受け継いだものではなく、壊れる瞬間のエネルギーからその場で新しく作られたものです。

素粒子の世界では、エネルギーと物質は互いに姿を変えられる関係にあります。

グルーボールを固めていた接着剤は、それ自体が莫大なエネルギーの塊なので、粒子が壊れて接着剤がほどけると、行き場を失ったそのエネルギーが、クォークという物質の姿に変わって飛び出してきます。

そして、このエネルギーから作られた「新品のクォーク」こそが決定的な違いを生みます。

特定の種類のクォークを多く含む粒子を壊したならば、その破片には親譲りの偏りが現れます。

しかし壊れる瞬間のエネルギーでその場で出現する場合、親譲りの偏りがありません。

結果としてグルーボールは、特定の種類だけをえこひいきすることなく、軽いクォークをどの種類も分け隔てなく生み出す壊れ方のパターンをするはずなのです。

そして逆に、クォーク入りの親粒子なら起こせるのに、グルーボールには理論上絶対に起こせない壊れ方のパターンも存在していたのです。

スイカとメロンをバットで割ったとき、その飛び散り方が絶対に同じにならないのであれば、飛び散った跡を調べるだけで、割られたのがどちらだったのかを言い当てることができます。

とくに「スイカなら必ず種が飛ぶが、メロンでは絶対にそうならない」という違いがあるなら、判定は一撃です。

種が飛んでいなければ、それはスイカではありません。

幻のグルーボールを見分ける手がかりも、まさにこの「理論上、絶対にしない飛び散り方」でした。

クォークという材料を含む粒子(スイカ)なら普通に起こせるのに、グルーボール(メロン)には原理的に起こせない壊れ方が存在するのです。

2011年の時点では「質量が似ている」としか言えなかったX(2370)も、壊れ方を徹底的に調べれば、クォーク入りの普通の粒子なのか、力そのものが固まったグルーボールなのかを見分けられるはずです。

そこで研究チームは約100億個ものJ/ψ粒子の崩壊データを調べ上げ、X(2370)がクォークの塊(スイカ)なら起こせるはずの壊れ方(K*(892)とK中間子への崩壊)の痕跡を探しました。

するとこの膨大なデータの中に、X(2370)がその壊れ方をした確かな形跡は見つかりませんでした。

この結果は、X(2370)がクォークの種類をえこひいきしない粒子——すなわち主成分がグルーボールである可能性を強く示しています。

決め手はこれだけではありません。

X(2370)については、2011年の発見以来、さまざまな性質が一つずつ測定されてきました。

重さも、自転のような性質(スピン)も、生まれやすさも、そして今回調べられた壊れ方のパターンも、その全てが「グルーボールならこうなるはず」という理論の予言とぴたりと重なっていたのです。

個々ならば偶然ですが、偶然が重なるにつれて選べる選択肢が消えていき、全体を自然に説明できる唯一の候補として残ったのが「主成分はグルーボール」だったのです。

前例のない形態の物質

X(2370)の主成分がグルーボールならば、私たちは初めて「力そのものが塊になった物質」を手にしたことになります。

物を押す、引く、貼り付ける——「力」とは普通、物質と物質の間ではたらく作用であって、それ自体が”モノ”になるとは想像しがたいものです。

ところが自然界は、力を伝える粒子だけを集めて1個の粒子を組み上げるという、直感を裏切る芸当を許していました。

これまで積み上げられた証拠によれば、X(2370)の質量は陽子のおよそ2.5倍にあたります。

物質の材料をほとんど含まないのに、物質の代表である陽子の2.5倍もの重さがあるわけです。

研究チームのリーダーの一人で南京大学のジン・シャン氏が、これを「前例のない形態の物質」と呼ぶのはそのためです。

論文でも、グルーボールが主成分でなければX(2370)の性質すべてを自然に説明できず、他の解釈は現状いずれも不利であると記述されています。

もっとも、結論の言い方が「主成分」にとどまっているのには理由があります。

「クォークを1つも含まない」というのは、あくまで教科書に描かれる理想のグルーボールの姿です。

量子の世界には、性質のよく似た粒子同士は互いに混ざり合うことを避けられないという法則があります。

このためグルーボールも、現実の自然界では、ごくわずかにクォークの成分と混ざった姿でしか存在できないと考えられているのです。

自然の法則が最初から「純粋なまま」を許していない、ということです。

そして皮肉なことに、この混ざりもののおかげでグルーボールは生まれやすくなり、人類に見つけてもらえるチャンスが増えていたと考えられています。

それでも、純金と呼ばれる指輪に微量の別の金属が混ざっていても金の指輪であるように、本体がグルーボールであることは揺らぎません。

ただし、その混ざり具合まで正確に突き止めるには、追加の衝突実験が必要です。

こうして半世紀ごしの追跡劇は、いよいよ大詰めを迎えています。

グルーボールである証拠がここまで積み上がった候補は、X(2370)が初めてで、研究チームも「約50年にわたるグルーボール探索から得られた最も明確な実験結果であり、グルーオンが結合して新たな形態の物質を形成するという長年の理論的予測を裏付けるものだ」と述べています。

これまで物質の主役はいつもクォークであり、グルーオンはそれを繋げる力として裏でクォークを支える黒子の立場でした。

その黒子が「力が塊になった粒子」として、いままさに姿を現しつつあるのです。

私たちが「モノ」と呼んできたものの定義は、思っていたよりずっと広かったのかもしれません。