「反物質」は何故消えた？
この宇宙は９０種類あまりの元素からなる様々な物質でできている。しかし、宇宙誕生の直後は電気的な性質だけ逆になった「反物質」もできていた。しかし今は反物質が消えてしまい、物質に満ちあふれている。その謎に迫る研究の準備が茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構で進んでいる。来年末に実験に移る予定で、宇宙の成り立ちを巡る謎の解明に期待が集まっている。
２００９年に日本で公開されてヒットした映画「天使と悪魔」では、反物質兵器が登場する。反物質は物質と電気的な性質がプラスとマイナスの違いがあるだけで、質量などはまったく同じ。出合うと光を出して消滅し、大きなエネルギーが発生する。究極の大量破壊兵器をつくるため、研究機関から反物質が盗まれるという筋書きだ。
実は１３８億年前、宇宙誕生のビッグバン（大爆発）で、物質と反物質が同じ数だけできたと考えられている。本来なら、物質も反物質とぶつかって一緒に消え去っていてもおかしくない。しかし、今の地球には反物質はほぼゼロで、この広い宇宙にも反物質でできた星は見あたらない。物質だけが残った理由があるはずだ。その謎の解明は現代の物理学の大きなテーマになっている。
その謎に迫ろうとする実験施設が高エネ機構の新型加速器「スーパーＫＥＫＢ（ケックピー）」だ。敷地の地下１１㍍にあり、１周が約３㌔㍍の円を描く。２月に試験運転を始めた。
反物質が消えたのは、物質と反物質の間に微妙な性質の差があったからだ。このため、１０億個に１個の割合で物質が消えずに生き残ったと考えられている。物質が優勢になったのは宇宙誕生から間もないときだ。「ビッグバンの後に、物質と反物質の間にわずかな差が起きた仕組みを知ることが大きな目標だ」と、同機構素粒子原子核研究所の後田裕教授は話す。
なぜ、物質と反物質の間に差が生まれたのか。そのきかけを説明したのが、１９７３年に発表された「小林・益川理論」だ。スーパーＫＥＫＢの前身の加速器「ＫＥＫＢ」はこの理論を２００１年に証明し、小林誠氏と益川敏英氏は０８年にノーベル物理学賞を受賞した。
しかし、小林・益川理論は反物質だけがこの宇宙から消え去った理由の一部しか説明できていない。別の仕組みが存在するはずだ。それを説明する物理現象を見つけ出すために、高エネ機構は約３１４億円と５年の月日をかけて、ＫＥＫＢを大幅に改造・増強した。
実験では、電子とその反物質の陽電子をほぼ光の速さまで加速して衝突させて、宇宙誕生時のような高いエネルギー状態を作り出す。このとき、ほとんどは光になってしまうが、一部はＢ中間子という素粒子とその反物質の反Ｂ中間子に変わる。このペアは１兆分の１秒ほどで崩壊してしまうが、観測データを大量に集て詳しく調べると、壊れ方に微妙な差が見つかることがある。
スーパーＫＥＫＢは大量に電子と陽電子をぶつけることで、１秒間にＢ中間子と反Ｂ中間子を８００個ずつ発生させる。これは前身のＫＥＫＢの約４０倍で、一度に大量の観測データを集められる。赤井和憲教授は「観測開始から数年で必要なデータを蓄積できる」と話す。
Ｂ中間子と反Ｂ中間子が壊れる様子を徹底的に調べるために開発されたのが測定器「ベル２」だ。縦横の長さが約８㍍あり、重さが約１４００トンもある。Ｂ中間子などが崩壊した地点、飛び散った方向やエネルギー、崩壊してできた粒子の種類などを調べる。１７年秋以降に設置して観測を始める計画だ。
最終目標は反物質が消えた謎の解明だ。この他にもノーベル賞級の成果が出ると期待を集める。そのひとつが素粒子物理学の基礎となっている
標準理論」を超す新しい物理学につながる発見だ。
１９７０年代に確立した標準理論では、物質は電子やニユートリノ、クォークなど１７種類の素粒子でできていると考える。２０１２年、１７番目となるヒッグス粒子が発見され、標準理論は完成したとされる。だが、すでに標準理論では説明できない現象もいくつか見つかっている。
スーパーＫＥＫＢでは、標準理論では説明できない未知の素粒子の発見も期待されている。解析には、米国や中国、インドなど２３の国と地域から約６００人の研究者が参加する。後田教授は「１８年以降はいつ何が出るか、解析してのお楽しみになる」と説明する。