Matter vs. Antimatter

物質対反物質

物質対反物質：物質が支配的になることを可能にした不均衡

現代物理学と宇宙論における最も深遠な謎の一つは、なぜ私たちの宇宙がほとんど完全に物質で構成され、反物質はほとんど存在しないのかということです。現在の理解によれば、ビッグバン直後の最初の瞬間に物質と反物質はほぼ同量生成されるはずであり、それらは完全に互いを消滅させるはずでした—しかしそうはなりませんでした。約10億分の1のわずかな物質の過剰分が生き残り、銀河、星、惑星、そして最終的には私たちが知る生命を形成しました。この物質と反物質の明らかな非対称性は、しばしばbaryon asymmetry（宇宙のバリオン非対称性）という用語で表され、CP violation（CP対称性の破れ）およびbaryogenesis（バリオン生成）として知られる過程と密接に関連しています。

この記事では、以下を探ります：

  1. 反物質発見の簡単な歴史的視点。
  2. 物質-反物質の不均衡の本質。
  3. CP（荷電共役-パリティ）対称性とその破れ。
  4. バリオン生成のためのサハロフ条件。
  5. 物質-反物質の非対称性を生み出すために提案されたメカニズム（例：電弱バリオン生成、レプトジェネシス）。
  6. 進行中の実験と今後の方向性。

最後には、なぜ物質が反物質よりも多いと考えられているのか、そしてこの宇宙の不均衡の正確なメカニズムを特定するための科学的努力の概要を理解できるようになります。

1. 歴史的背景：反物質の発見

反物質の概念は、1928年にイギリスの物理学者ポール・ディラックによって理論的に初めて予測されました。ディラックは相対論的速度で動く電子を記述する方程式（ディラック方程式）を定式化しました。この方程式は予期せず、正のエネルギー状態と負のエネルギー状態に対応する解を許しました。後に「負のエネルギー」解は、電子と同じ質量だが電荷が反対の粒子として解釈されました。

  1. 陽電子の発見（1932年）：1932年、アメリカの物理学者カール・アンダーソンは宇宙線の軌跡で陽電子（電子の反粒子）を検出し、反物質の存在を実験的に確認しました。
  2. 反陽子と反中性子：反陽子は1955年にエミリオ・セグレとオーウェン・チェンバレンによって発見され、反中性子は1956年に発見されました。

これらの発見は、標準模型のすべての粒子タイプに対して、反対の量子数（例えば電荷、バリオン数）を持つ反粒子が存在し、質量とスピンは同じであるという考えを確固たるものにしました。

2. 物質-反物質の不均衡の性質

2.1 初期宇宙における等量生成

ビッグバンの間、宇宙は非常に高温高密度で、物質と反物質の粒子対を生成するのに十分なエネルギーがありました。平均的に、生成される物質の粒子1つにつき、同等の反粒子も生成されると予想されます。宇宙が膨張し冷却するにつれて、これらの粒子と反粒子はほぼ完全に対消滅し、その質量をエネルギー（通常はガンマ線光子）に変換したはずです。

2.2 残留物質

しかし観測は、宇宙が主に物質で構成されていることを示しています。純粋な不均衡は小さいですが—絶対に重要です。これは宇宙におけるバリオン数密度（すなわち物質密度）と光子密度の比率、しばしばη = (nB - n̄B) / nγで表されることで定量化できます。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）のデータは、COBE、WMAP、Planckなどのミッションによって測定され、次のことを示しています：

η ≈ 6 × 10−10.

これはビッグバンから残った約10億個の光子に対して、約1個の陽子（または中性子）が存在することを意味します—しかしより重要なのは、その単一のバリオンが反バリオンを上回っていたことです。問題は：このわずかで重要な非対称性はどのようにして生じたのか？

3. CP対称性とその破れ

3.1 物理学における対称性

素粒子物理学において、C（荷電共役）対称性は粒子とその反粒子の間の変換を指します。P（パリティ）対称性は空間反転（空間座標の鏡映）を指します。物理法則がCとPの両方に対して不変（すなわち「粒子と反粒子を入れ替え、左右を反転させても同じに見える」）であれば、それはCP対称性を満たすと言います。

3.2 CP対称性破れの早期発見

もともとCP対称性は自然の基本的対称性であると考えられていた。特に〈strong〉P対称性の破れ〈/strong〉が1950年代半ばに発見された後はそうであった。しかし1964年、〈strong〉ジェームズ・クローニンとヴァル・フィッチ〈/strong〉は中性カオン（K〈sup〉0〈/sup〉）の崩壊がCP対称性を守らないことを発見した（Cronin & Fitch, 1964 [1]）。この画期的な結果は、特定の弱い相互作用過程においてCPも破れることを示した。

3.3 標準模型におけるCP対称性破れ

素粒子物理学の標準模型内では、CP対称性の破れは〈strong〉カビボ-コバヤシ-マスクワ（CKM）〈/strong〉行列の位相から生じる可能性がある。この行列は異なる“フレーバー”のクォークが弱い力の下でどのように遷移するかを記述する。後にニュートリノ物理学は、レプトンのための別の混合行列である〈strong〉ポンテコルボ–マキ–ナカガワ–サカタ（PMNS）〈/strong〉行列を導入し、これもCP対称性破れの位相を含む可能性がある。しかし、これらのセクターでこれまで観測されたCP対称性破れの大きさは、宇宙のバリオン非対称性を完全に説明するには〈strong〉あまりにも小さい〈/strong〉ようであり、標準模型を超えた追加のCP対称性破れの源が必要であることを示唆している。

4. バリオジェネシスのためのサハロフ条件

1967年、ロシアの物理学者〈strong〉アンドレイ・サハロフ〈/strong〉は、初期宇宙における物質-反物質非対称性を生成するための三つの必要条件を定式化した（Sakharov, 1967 [2]）。

  1. 〈strong〉バリオン数の破れ〈/strong〉：正味のバリオン数Bを変化させる相互作用や過程が存在しなければならない。バリオン数が厳密に保存されるなら、バリオンと反バリオンの非対称性は発生し得ない。
  2. 〈strong〉CおよびCP対称性の破れ〈/strong〉：物質と反物質を区別する変換が不可欠である。もしCおよびCPが完全な対称性であれば、バリオンを反バリオンより多く生成する過程には、同数の反バリオンをバリオンと同数生成する鏡像過程が存在し、相殺されてしまう。
  3. 〈strong〉熱的平衡からの逸脱〈/strong〉：熱的平衡では、粒子の生成と消滅過程は前後対称に進み、バランスを保つ。急速に膨張し冷却する宇宙のような非平衡環境では、特定の過程が非対称性を“凍結”させることが可能となる。

バリオジェネシスのいかなる有効な理論やメカニズムも、観測された物質-反物質の不均衡を生み出すためにこれら三つの条件を満たさなければならない。

5. 物質-反物質非対称性を生成するための提案されたメカニズム

5.1 電弱バリオジェネシス

〈strong〉電弱バリオジェネシス〈/strong〉は、バリオン非対称性が電弱相転移（ビッグバン後約10〈sup〉−11〈/sup〉秒）付近で生成されたと仮定する。主なポイント：

  • 〈strong〉ヒッグス場〈/strong〉は非ゼロの真空期待値を獲得し、自発的に電弱対称性を破る。
  • 非摂動的過程であるスフェラロンは、バリオン数とレプトン数の和（B+L）を破る一方で、バリオン数とレプトン数の差（B−L）は保存します。
  • 真の真空のバブルが形成される一次電弱相転移は、熱的平衡からの必要な逸脱を生み出す可能性があります。
  • ヒッグスセクターやクォーク混合を介したCP対称性破れの相互作用は、バブル壁での物質と反物質の不均衡を形成するのに役立ちます。

しかし、標準模型のパラメータ空間（特に発見された125 GeVのヒッグスを考慮すると）では、電弱相転移が一次相転移であった可能性は低く、CKM行列からのCP対称性の破れの量も不十分です。そのため、多くの理論家は、電弱バリオジェネシスをより実現可能にするために、追加のスカラー場などの標準模型を超える物理を提案しています。

5.2 GUTバリオジェネシス

大統一理論（GUTs）は、非常に高いエネルギー（約1016 GeV）で強い力、弱い力、電磁力を統一することを目指しています。多くのGUTモデルでは、重いゲージボソンやヒッグスボソンが陽子崩壊やバリオン数を破る過程を媒介することがあります。これらの過程が初期宇宙の熱的平衡から外れた状態で起こると、理論上はバリオン非対称性を生成できます。しかし、これらのGUT枠組み内でのCP対称性の破れは十分に大きくなければならず、予測される陽子崩壊の速度は期待されるレベルで観測されていないため、単純なGUTバリオジェネシスモデルには制約が課されています。

5.3 レプトジェネシス

レプトジェネシスでは、まずレプトンと反レプトンの非対称性が生成されます。このレプトン非対称性は、電弱時代のスフェラロン過程を通じて部分的にバリオン非対称性に変換されます。スフェラロンはレプトンをバリオンに変換できます。一般的なメカニズムは次の通りです:

  1. シーソーメカニズム: 重い右巻きニュートリノ（または他の重いレプトン）を導入します。
  2. これらの重いニュートリノはCP対称性を破る過程で崩壊し、レプトンセクターに非対称性を生み出します。
  3. スフェラロン遷移は、このレプトン非対称性の一部をバリオン非対称性に変換します。

レプトジェネシスは、ニュートリノ振動で観測されるニュートリノ質量の生成を宇宙の物質と反物質の非対称性に結びつけるため魅力的です。また、電弱バリオジェネシスが抱えるいくつかの制約を回避し、多くの新物理モデルで有力な候補となっています。

6. 現在進行中の実験と今後の方向性

6.1 高エネルギーコライダー

大型ハドロンコライダー（Large Hadron Collider (LHC)）のようなコライダーでの実験、特にLHCb実験は、B中間子、D中間子、その他のハドロンの崩壊におけるCP対称性の破れに敏感です。CP対称性の破れの程度を測定し、それを標準模型の予測と比較することで、物理学者たちは標準模型を超える新しい物理の兆候となる不一致を見つけることを期待しています。

  • LHCb：bクォークセクターにおける希少崩壊とCP対称性破れの精密測定を専門としています。
  • Belle II（日本のKEK）および現在は終了したBaBar（SLAC）は、Bメソン系におけるCP対称性破れも探求しました。

6.2 ニュートリノ実験

米国のDUNE（Deep Underground Neutrino Experiment）や日本のHyper-Kamiokandeなどの次世代ニュートリノ振動実験は、ニュートリノのPMNS行列におけるCP対称性破れ位相を高精度で測定することを目指しています。もしニュートリノが大きなCP対称性破れ効果を示せば、物質-反物質の不均衡の解決策としてレプトジェネシスの根拠を強化することになります。

6.3 陽子崩壊探索

もしGUTバリオジェネシスのシナリオが正しければ、陽子崩壊が手がかりとなる可能性があります。Super-Kamiokande（および将来的にはHyper-Kamiokande）のような実験は、さまざまな崩壊チャネルに対する陽子の寿命に厳しい制限を設けています。陽子崩壊の発見は画期的なものであり、高エネルギーでのバリオン数の破れに関する強い示唆を与えるでしょう。

6.4 アクシオン探索

標準的な意味でのバリオジェネシスに直接結びつかないものの、強いCP問題に関連する仮説上の粒子であるアクシオンは、初期宇宙の熱履歴や物質-反物質非対称性の可能性に役割を果たすかもしれません。したがって、アクシオン探索はこの謎の重要な一部であり続けています。

結論

宇宙における物質の反物質に対する優勢は、物理学における重要な未解決問題の一つです。標準模型はある程度のCP対称性の破れを説明しますが、観測された非対称性を説明するには不十分です。この不一致は、より高エネルギー（例えばGUTスケール）での新物理、またはまだ発見されていない追加の粒子や相互作用の必要性を示しています。

電弱バリオジェネシス、GUTバリオジェネシス、およびレプトジェネシスはいずれももっともらしいメカニズムですが、さらに多くの実験的および理論的研究が必要です。衝突型加速器物理学、ニュートリノ振動、希少崩壊探索における高精度実験と天体物理学的観測がこれらの理論を検証し続けています。物質が反物質に勝った理由の解明は、宇宙の起源に対する理解を深めるだけでなく、現実の根本的に新しい側面を明らかにする可能性があります。

推奨資料とさらなる読書

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964).「K20メソンの2π崩壊の証拠」Physical Review Letters、13、138–140。[Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967).「CP不変性の破れ、C非対称性、および宇宙のバリオン非対称性」JETP Letters、5、24–27。
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – 粒子の性質、CP対称性の破れ、標準模型を超える物理に関する包括的なデータとレビューの情報源。
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “バリオジェネシスの最近の進展。” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “物質・反物質非対称性の起源。” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. アディソン・ウェズリー。– バリオジェネシスを含む宇宙論的過程に関する古典的なテキストです。
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. ケンブリッジ大学出版局。– インフレーション、元素合成、バリオジェネシスを詳細に扱っています。

これらの研究は総じて、CP対称性の破れ、バリオン数の破れ、そして宇宙論的な物質・反物質の非対称性の潜在的なメカニズムに関する理論的および実験的な背景を深く提供しています。新たな実験データが到着するにつれて、私たちは宇宙に関する最も根本的な疑問の一つに近づいています：なぜ無ではなく何かが存在するのか？

 

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