衝撃の発見！正物質は、正物質と反物質を入れ替えるニュートリノのおかげで存在できます。

科学研究は驚きに満ちているが、現在、国際研究チームによる新たな研究では、時空のさざ波である重力波に、相転移によってニュートリノが物質と反物質を入れ替えたために物質がビッグバンを生き延びたというもう一つの証拠が含まれている可能性があることが示されている。すべてを完全な破壊から救う方法は、SF やハリウッド映画では取り上げられる問題ではありません。現代宇宙論のビッグバン理論によれば、この状態のままであれば、物質と反物質の量は等しいことになります。

物質と反物質は最終的に1対1で出会い、消滅し、完全な消滅に至るはずです。そうなると、宇宙は空っぽになり、銀河も、星も、ブラックホールも、惑星も、そして地球上の何十億もの生命種も存在しなくなるでしょう。しかし、宇宙のあらゆるものの存在はこの理論と矛盾しています。物質と反物質の完全な消滅を克服するために、宇宙は少量の反物質を（正の）物質に変換し、物質と反物質の間に不均衡を引き起こす必要があります。理論的な研究では、必要な不均衡は 10 億分の 1 に過ぎないことが示されていますが、この不均衡がいつ、どのように生じるのかは謎のままです。

「宇宙が存在した最初の100万年ほどを振り返ると、宇宙は光に対して不透明になり、『なぜ我々はここにいるのか』という疑問が湧いてくる」と、カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員でローレンス・バークレー国立研究所の物理学者でもある研究共著者のジェフ・ドロール氏は述べた。この根本的な質問に答えるのは難しい。物質と反物質は反対の電荷を持っているため、電気的に中性でない限り、相互に変換することはできません。ニュートリノは、私たちが持つ唯一の電気的に中性な物質粒子なので、この課題に対する最有力候補です。

多くの研究者が支持する理論の一つは、宇宙が相転移を起こし、ニュートリノが物質と反物質を入れ替えるようになったというものである。相転移は、沸騰した水が蒸気に変わったり、冷やされた水が氷に変わったりするようなものです。物質の挙動は臨界温度と呼ばれる特定の温度で変化します。ある金属を低温まで冷却すると、相転移によって抵抗が完全になくなり、超伝導体になります。これは、がん診断のための磁気共鳴画像法（MRI）や磁気浮上技術の基礎でもあります。また、列車を浮かせることも可能で、めまいを起こすことなく時速480キロで走行できる。

「超伝導体と同じように、初期宇宙における相転移によって、宇宙ひもと呼ばれる非常に細い磁場の管が生成された可能性がある」と、カリフォルニア大学バークレー校のマクアダムス物理学教授、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構の主任研究員、ローレンス・バークレー国立研究所の上級研究員で、本研究の共著者である村山秀文氏は説明した。研究者たちは、宇宙ひもがその後単純化しようとし、重力波と呼ばれる時空に小さなさざ波を引き起こしたと考えている。ほぼすべての臨界温度について、将来の宇宙観測所では次のことが行われます。

これらの温度は、LISA、BBO（欧州宇宙機関）、DECIGO（宇宙航空研究開発機構）などのミッションによって検出できます。研究の共著者であるグラハム・ホワイト氏は次のように語った。「宇宙は最初から重力に対して「透明」であったため、重力波の発見は私たちにさらに過去を振り返る新たな機会を与えてくれる。」宇宙の始まりの温度は、おそらく現在の宇宙で最も高温の場所よりも 1 兆倍から 1,000 兆倍高かったため、ニュートリノの挙動は、宇宙に正の物質が存在することを確実にするためにまさに必要なものであったと考えられます。

この研究は、重力波のさざ波が検出可能な背景として残されている可能性があることを証明している。宇宙ひもは、最終的に恒星や銀河となる質量の密度にわずかな変化を生み出す方法としてかつて人気があったが、以前の研究データによってその考えが否定されたため消滅した。 「今回の新たな研究により、このアイデアが別の理由で復活した。これは非常に喜ばしいことだ」と、日本の重力波検出器KAGRAとスーパーカミオカンデ実験を担当する東京大学宇宙線研究所の博士研究員、平松隆氏は語った。

高エネルギー加速器研究機構理論センターの郡一典准教授は「宇宙ひもからの重力波のスペクトルは、ブラックホールの合体などの天体物理学的発生源のスペクトルとは非常に異なるため、この発生源が実際に宇宙ひもであると考えることは十分可能である」と語った。宇宙に正物質が存在する理由を知ることは非常に興味深いでしょう。それは科学における究極の問いの一つです。この研究成果は、編集者の推薦論文としてPhysical Review Letters誌に掲載されました。

博歌園｜www.bokeyuan.net

ボー・ケ・ユアン研究/出典：カブリ数物連携宇宙研究機構

参考ジャーナル: Physical Review Letters

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.041804

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