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宇宙の物質はどのようにして無から発生したのか?

宇宙のあらゆるスケールにおいて、我々の周辺から星間物質、個々の銀河、クラスター、フィラメント、そして大きな宇宙の網まで、観測されるものはすべて通常の物質でできており、反物質はないようです。 これは説明のつかない謎です。

NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

広大な宇宙、惑星、星、銀河、そこに存在するすべてを見渡したとき、ひとつの明白な疑問が説明を求めて叫びます。 この問題は、この宇宙を支配している物理法則を考えると、さらに深刻になる。物理法則は、物質と反物質の間で完全に対称であるように見えるからだ。 しかし、宇宙を見てみると、私たちが見ている星や銀河はすべて100%物質でできており、反物質はほとんど存在しないのだ。 私たちが存在し、私たちが見ている星や銀河が存在する以上、何かが反物質よりも多くの物質を作り出し、私たちの知る宇宙を可能にしたに違いありません。 しかし、それはどのように起こったのでしょうか? これは宇宙最大の謎の1つですが、私たちはこれまで以上に解決に近づいています。

現在の宇宙(左)と以前の宇宙における物質とエネルギーの含有量… (右)。 ダークエネルギー、ダークマターの存在、そして反物質よりも通常の物質が優勢であることに注意してください(反物質は非常に微小で示されているどの時代にも寄与していません)。 Siegel

宇宙に関するこれらの 2 つの事実と、それらがいかに矛盾しているかを考えてみましょう。

  1. これまで観測された粒子間のあらゆる相互作用は、あらゆるエネルギーにおいて、同数の反物質粒子を生成または破壊することなしに、物質の粒子を生成または破壊したことは一度もありません。
  2. 宇宙を見渡すと、すべての星、銀河、ガス雲、星団、超星団、およびあらゆる場所の最大規模の構造物が、すべて物質でできていて、反物質ではないように見えるのです。 一方では、宇宙における粒子とその相互作用を考えると、反物質より物質を多く作る方法は知られていない。 一方、私たちが見ているものはすべて、間違いなく物質でできており、反物質ではありません。

    純粋なエネルギーから物質/反物質のペア(左)が生成されると、物質/反物質は消滅して純粋なエネルギーに戻り、完全に可逆的な…(右)反応となる。 E = mc^2 に従うこの生成-消滅プロセスは、物質または反物質を生成および破壊する唯一の方法として知られています。 この消滅は実際にいくつかの場所で観測されていますが、巨大ブラックホールの周りなど、物質と反物質が同量に生成される超高エネルギー源の周りでのみ観測されています。 反物質が宇宙で物質と衝突すると、非常に特殊な周波数のガンマ線が発生し、それを私たちは検出することができます。 星間や銀河間の媒質は物質で満ちており、これらのガンマ線が全くないことは、物質/反物質のサインが現れるため、大量の反物質粒子がどこにも飛び回っていないという強い信号なのです」

    星団、銀河、私たちの星域、太陽系のいずれにおいても、宇宙における反物質の割合にとてつもなく…強力な制限があるのです。

    Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

    我々の銀河系の星間物質では、平均寿命は約300年のオーダーであり、我々の銀河系の年齢と比較すると微々たるものです!

    Gary Steigmanは、「宇宙は物質で支配されている。 この制約から、少なくとも天の川銀河の中では、私たちが観測する物質に混じって許される反物質の量は、せいぜい1,000,000,000分の1であることが分かります! 銀河や銀河団のような大きなスケールでは、この制約はそれほど厳しくはありませんが、それでも非常に強い制約です。 数百万光年から30億光年までの観測では、物質と反物質の消滅から期待されるX線やガンマ線はほとんど観測されていません。 1188>

    これはMPG/ESO2.2m望遠鏡が撮影した反射星雲IC2631です。 私たちの銀河系内であれ、銀河間であれ、反物質でできた重要なポケット、星、または銀河が存在する場合に必要とされるガンマ線シグネチャの証拠が、単に存在しないのです。 素粒子物理学の観点から見ると、物質と反物質の間の対称性は、あなたが考えているよりもさらに明白であるという事実によって、さらに混乱させられます。 例えば

    • クォークを作るたびに、反クォークも作る。
    • クォークを破壊するたびに、反クォークも破壊する。
    • レプトンを作るか破壊するたびに、同じレプトン族から反レプトンを作るか破壊する。 そして
    • クォークまたはレプトンが相互作用、衝突または崩壊を経験するたびに、反応終了時のクォークとレプトンの総純数(クォーク-反クォーク、レプトン-反レプトン)は、開始時と終了時で同じになるのです。

    これまで宇宙で物質を増やす(または減らす)方法は、反物質も同じだけ増やす(または減らす)ことだけだった。

    標準モデルの粒子と反粒子はあらゆる保存則に従っているが、そこには… ある種の粒子・反粒子のペアの振る舞いにわずかな違いがあり、それがバリオジェネシスの起源のヒントになっているかもしれない。

    E. Siegel / Beyond The Galaxy

    しかし、それが可能に違いないことはわかっている。唯一の問題は、それがどのように起こったかということである。 1960年代後半、物理学者のアンドレイ・サハロフは、バリオジェネシス、すなわち反バリオンより多くのバリオン(陽子と中性子)が生まれるために必要な3つの条件を明らかにしました。

  3. C- および CP- の違反があること。
  4. バリオン数違反の相互作用があること。 C」対称性(粒子を反粒子に置き換える)と「CP」対称性(粒子を鏡面反射した反粒子に置き換える)はどちらも弱い相互作用で破られているので、2番目も簡単です。 C対称性を適用すると、粒子が反粒子に置き換えられるので、北極を中心に反時計回りに回転している反中間子が、北の方向に陽電子を放出しながら崩壊するはずである。 同様に、P対称性を適用すると、鏡に映っているものが反転します。 もし粒子と反粒子がC, P, CP対称性の下で全く同じ振る舞いをしないなら、その対称性は破られていると言われる。 これまでのところ、弱い相互作用だけが、この3つのうちのどれかに違反しているのです。 素粒子物理学の標準模型では、バリオン数の保存が観測されているにもかかわらず、バリオン数とレプトン数(レプトンは電子やニュートリノのような粒子)のどちらにも明示的な保存則がありません。 その代わり、バリオンとレプトンの差であるB-Lだけが保存されているのです。 したがって、適切な状況下では、陽子を余分に作ることができるだけでなく、それに付随して必要な電子を作ることもできるのです。 宇宙の初期には、同量の物質と反物質が、非常に高い速度とエネルギーで存在することが十分に予想される。

    非常に若い宇宙で達成される高温では、粒子と光子ができるばかりでなく…

    Brookhaven National Laboratory

宇宙が膨張し冷却すると、一度大量に作られた不安定な粒子が崩壊します。 適切な条件が揃えば、最初は何もなかったところでも、反物質より物質が過剰になることがある。

  • 電弱スケールの新しい物理学は、宇宙におけるC-およびCP-違反の量を大幅に増やし、物質と反物質の間の非対称性をもたらす可能性があります。 BとLを個別に破る(しかしB-Lは保存する)Sphaleron相互作用は、バリオンとレプトンの適切な量を生成することができます。
  • 高エネルギーでの新しいニュートリノ物理は、私たちが非常に大きなヒントを持っているので、基本的なレプトンの非対称性を早い段階で作り出すことができるかもしれません:レプトジェネシスです。 B – Lを保存するスファレロンが、そのレプトンの非対称性を利用して、バリオンの非対称性を生成するでしょう。
  • あるいはGUT規模のバリオジェネシスで、新しい物理(および新しい粒子)が、電弱力が強い力と統合する大統一スケールで存在することが明らかになるでしょう。

これらのシナリオはすべていくつかの共通要素を持っているので、最後のものを単なる例として、何が起こったかを見て歩きましょう。

宇宙の他の粒子に加えて、もし大統一理論の考えが…我々の宇宙に当てはまるなら、初期の宇宙の他の粒子の熱い海の中に、超重量ボゾン、X粒子とY粒子、およびそれらの反粒子が、適切な電荷とともに示されることになります。

E. Siegel / Beyond The Galaxy

もし大統一が本当なら、バリオンとレプトンのような性質を持つXとYという新しい超重量粒子が存在するはずです。 また、反物質の対応物である反Xと反Yも存在するはずで、B-L数が反対で電荷も反対ですが、質量と寿命は同じです。 これらの粒子と反粒子のペアは、十分な高エネルギーで大量に作ることができ、その後、崩壊していきます。 しかし、C-とCP-に違反している場合、粒子と反粒子(X/Y対反X/反Y)の崩壊方法にわずかな違いがある可能性があります。

XとY粒子が示されたクォークとレプトンの組み合わせに崩壊することを許可すると、それらの…反粒子の対応するものはそれぞれの反粒子の組み合わせに崩壊することになります。 しかし、CPが破られると、崩壊経路、つまり一方的に崩壊する粒子と他方から崩壊する粒子の割合が、X粒子とY粒子では反X粒子と反Y粒子とで異なることがあり、結果としてバリオンが反バリオンより、レプトンが反レプトンより純生産されることになるのです。

E. Siegel / Beyond The Galaxy

もしあなたのX粒子が2つのアップクォークまたはアンチダウンクォークと陽電子に崩壊する経路を持っているなら、アンチXは2つのアンチアップクォークまたはダウンクォークと電子という対応する経路を持たなければならないでしょう。 Xはどちらの場合もB-Lが3分の2であり、反Xは負の3分の2であることに注意してください。 Y/反Y粒子についても同様です。 Xは反アップクォークに崩壊するよりもアップクォーク2個に崩壊する可能性が高く、反Xは反ダウンクォークと陽電子に崩壊するよりもダウンクォークと電子に崩壊する可能性が高くなります。

もし十分なX/反XとY/反Yのペアがあり、それらがこのように許された方法で崩壊すれば、以前はなかったバリオンが反バリオンよりも(そしてレプトンが反レプトンよりも)簡単に過剰になってしまうのである。

上記のようなメカニズムで粒子が崩壊していくと、不安定で超重たい粒子がすべて崩壊した後に、反クォークよりクォークの方が(そして反レプトンよりレプトンの方が)過剰に残ってしまうのです。 過剰な粒子と反粒子のペアが消滅した後(赤い点線で囲った部分)、私たちには、陽子と中性子をそれぞれ上下の組み合わせで構成する上下のクォークと、陽子と数が一致する電子が過剰に残ることになる。 Siegel / Beyond The Galaxy

つまり、完全に対称的な宇宙、すなわち既知の物理法則にすべて従い、物質と反物質が等反対の組でのみ自然発生する宇宙から始めて、最終的に物質が反物質より過剰になってしまうこともあり得るのです。 私たちが存在し、物質でできているという事実は議論の余地がありませんが、なぜ私たちの宇宙には何もなく(物質と反物質が等しく混在している)、何か(物質)があるのかという疑問には、必ず答えがあります。 今世紀に入り、精密な電弱実験、衝突型加速器技術、標準模型を超える素粒子物理学を探求する実験が進歩し、それがどのように起こったかが正確に明らかになるかもしれません。 そして、そのとき、すべての存在における最大の謎のひとつが、ついに解き明かされるのである。

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