物理の常識を覆す「第5の力」

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物理学の教科書に書かれている物質の最小単位である素粒子に働く自然の4つの力は、「基本相互作用」と呼ばれている。ハンガリーの研究者チームは、科学誌「Nature」でベリリウム同位体の放射性崩壊における予想外の現象を観察し、それは第5の基本相互作用の存在を示唆している結果かもしれないという。

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「電磁相互作用」、「重力相互作用」、そして「強い相互作用」と「弱い相互作用」。これら4つの力は、あらゆる物理学の教科書に書かれている「基本相互作用」だ。だがもしかしたら、さらに「もうひとつの力」が追加されるときがやって来たのかもしれない。

アッティラ・クラスナホルカイ率いるハンガリー科学アカデミーの原子力研究所の科学者たちは、昨年ハンガリーで行われたある実験の最中に、ベリリウムの同位体(厳密には「ベリリウム8」。非常に不安定な物質だ)の放射性崩壊において「ある異常」を目の当たりにした。

もしかすると、自然の「第5の相互作用」なのかもしれない

実験の結果は、科学誌「ネイチャー」のブログで語られているように、もともと論文アーカイヴサイト「ArXiv」のプレプリントサーヴァーにアップロードされていた。そしてその後、2016年1月に「Physical Review Letters」に論文が掲載。その論文のなかで、研究者たちは、とりわけ、新しく軽い粒子(電子わずか34個分)の存在を想定していた。しかしこのとき、注目されはしなかった。

少なくとも去る4月、アメリカの理論物理学者のチームがArXiv上に、このハンガリーの研究結果を掲載。彼らは、そのデータがそれまでの実験で明らかになったことと矛盾していないことを示し、まさに「第5の基本相互作用」かもしれないと結論づけたのだ。

カリフォルニア大学アーヴァイン校のジョナサン・フェンはこうコメントしている。「わたしたちは世にまだ知られずにいた研究に光を当てたのです」

暗黒物質に近づく

すでに以前から、物理学者たちの間では、すでに知られている「4つの基本相互作用」以外に、ほかにも相互作用が存在する可能性については議論されてきた。

そのような相互作用は、まさに、基本粒子の標準モデルで説明されていない「抜け落ちた部分」を理解するのに役に立つのかもしれない。この標準モデルは、現在知られている粒子の間の相互作用を効果的に説明してきたが、宇宙の80パーセントを構成していると考えられている、目に見えないダークマターについては何も述べるものではなかった。

考えられる説明としては、他の粒子や他のフォースキャリア(力を媒介する粒子)の存在が関係してくる。そのなかには、いわゆる「暗黒光子(ダークフォトン)」もある。電磁気相互作用を仲介する従来の光子の対照となる仮説上の物質である。

クラスナホルカイの研究チームが注目したのは、まさにこの奇妙な存在だった。科学者たちは、リチウム7を標的に陽子の束を衝突させて電子と陽電子を放出させ、不安定なベリリウムの原子核をつくり出した。

論文では、さらにこう説明されている。「標準モデルによると、物理学者たちは、電子と陽電子の軌道の角度が大きくなるにつれて、電子と陽電子の数が減少するはずだった」。これに反して科学者たちは、140度の角度において電子と陽電子のペアの放出の数が急上昇することを観察したという。そして、さらに角度を広げると、また減少に転じる。

クラスナホルカイによると、この電子と陽電子の放出の急上昇するという現象は、ベリリウムの原子核の小さな断片が、自らの過剰なエネルギーを用いて新たな粒子を形成している(約17メガ電子ボルトの質量をもつ)という事実の証拠だという。

もうひとつの可能性

クラスナホルカイはこうも語っている。「わたしたちは、このデータについて確信をもっています。わたしたちの研究チームはこの3年間、エラーの可能性を最小にするため何度も実験を繰り返して、その再現性を確認してきました。偽陽性を観察する確率は、2000億分の1です」

今回観察された予想外の現象は、暗黒光子に起因しているというのがハンガリーのチームの見解だが、フェンらの研究チームの意見は異なっており、この粒子は「プロトフォビックXボソン」かもしれないという。これはつまり、電子やニュートリノと相互作用するごく限られた範囲の力を仲介する粒子だ。

ジェファーソン研究所で開始されようとしている実験「DarkLight」は、この謎を解明する助けとなるはずだ。実際、10〜100メガ電子ボルトの範囲のエネルギーをもつ粒子を探すために計画された。暗黒光子にせよ、ボソンXにせよ、仮定される粒子はまさにこの範囲のなかにある。今後を注視するとしよう。

※ 世界の有名な物理学研究所10カ所で同時開催された写真コンテストより「アートとしての粒子実験装置:ギャラリー」より。
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1/14イタリアのフラスカーティにある国立核物理学研究所で撮影。PHOTOGRAPH BY JOSEPH PAUL BOCCIO

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2/14カナダのTRIUMF PHOTOGRAPH BY ANDY WHITE

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3/14データ記憶装置でいっぱいの部屋 PHOTOGRAPH BY HELEN TRIST

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4/14地下通路を結ぶトンネル PHOTOGRAPH BY NINO BRUNO

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5/14NYのブルックヘブン国立研究所 PHOTOGRAPH BY ENTRIQUE DIAZ

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6/14ブルックヘブン国立研究所のRHIC PHOTOGRAPH BY STEVE ZIMIC

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7/14カナダの核施設TRIUMFにある、レトロフューチャーな制御室。PHOTOGRAPH BY JONATHAN BENJAMIN

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8/14カナダのTRIUMFのメソンホールで、宇宙線を遮蔽するために設置されている、金属梁と100tのコンクリートブロック。PHOTOGRAPH BY ANNE-MARIE COMTE

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9/14英国のラザフォード・アップルトン・ラボラトリーにある装置の接写。PHOTOGRAPH BY VINCE MO

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10/14イリノイ州にあるフェルミ国立加速器研究所で撮影。PHOTOGRAPH BY STAN KIRSCHNER

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11/14PHOTOGRAPH BY BRIAN SCHULTZ

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12/14イタリアのフラスカーティ研究所にある電子-陽電子衝突型加速器DAFNEの色鮮やかな部品。PHOTOGRAPH BY MARCO LA FERLA

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13/14牡牛座の散開星団であるプレアデス星団の投影像の上で、機械が回転する。英国スコットランドの天文学技術センター(ATC)で撮影された。PHOTOGRAPH BY WILLIAM PALIN

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14/14英国にある大気・無線通信研究施設、チルボルトン観測所の外の、雲に覆われた景色。PHOTOGRAPH BY ANGELA DAVISON

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