素粒子や宇宙の研究では、「対称性」や「対称性の破れ」という言葉がよく登場します。人類がまだ理解していない素粒子の性質や宇宙の歴史を解き明かすうえで、この「対称性」が重要な鍵を握っていると考えられています。

「対称性」と聞くと難しそうに感じるかもしれませんが、その考え方は、小学校の算数で習った図形の「線対称」や「点対称」とよく似ています。例えば、ある図形を一本の線で折り返したときにぴったり重なるなら、その図形は「線対称」であるといいます。また、ある点を中心に180度回転させても元の図形と重なるなら、その図形は「点対称」です。どちらの図形にも共通しているのは、折り返しや回転といったある操作をしても、その形が変わらないという性質です。



物理学でいう「対称性」も、基本的には同じ考え方です。ただし、物理学では、図形ではなく自然法則について考えます。例えば、ある実験装置を使って物理実験を行うとしましょう。この装置を隣の部屋に移して実験をしても、同じ結果が得られたとします。もし、どんな実験をしても同じ結果が得られるならば、「隣の部屋へ移動する」という操作をしても、物理法則は変わらないことが分かったといえるでしょう。また、実験装置の向きを回転させて、同様の結果が得られたなら、「回転させる」という操作をしても物理法則は変わらないことが分かったといえるでしょう。このように、移動や回転などの操作をしても自然法則が変わらないとき、「その操作に対して対称性がある」といいます。物理学では、このような操作を「変換」と呼びます。



さて、素粒子の世界には二つの重要な変換があります。一つは、世界全体を鏡に映すように反転する操作で、これをP変換（鏡像変換）と呼びます。もう一つは、すべての粒子をそれぞれの反粒子に入れ替える操作で、これをC変換（荷電共役変換）と呼びます。反粒子とは、それぞれの粒子に対応して存在する、電気などの性質が反対になった粒子です。例えば、電子には、電気の符号が反対である陽電子という反粒子があります。

かつては、素粒子の物理法則はP変換に対して対称性を持つ、すなわち、世界全体を鏡に映すように反転しても物理法則は変わらないと考えられていました。しかし1957年、コバルト60という原子核の崩壊を詳しく調べる実験によって、P変換をすると物理法則が同じにはならないことが明らかになりました。つまり、鏡に映した世界では、素粒子の振る舞いがこの世界とは異なる場合があるのです。このような状況を「P対称性が破れている」と表現します。また同じころ、C変換についても対称性が成り立たない、すなわちC対称性が破れていることも分かりました。

C対称性とP対称性の破れが明らかになると、研究者たちは、C変換とP変換を同時に行うCP変換に対してなら物理法則は変わらないのではないか、と考えるようになりました。この性質をCP対称性と呼びます。しかし1964年、K中間子と呼ばれる粒子の実験によって、CP対称性も破れていることが発見されました。その後、小林誠博士と益川敏英博士は、このCP対称性の破れを理論的に説明する小林益川機構を提案し、この業績により両博士は2008年にノーベル物理学賞を受賞しました。



ここまで見てきたように、対称性という考え方、特にCP対称性は、現代の素粒子論の中核をなすものの一つです。ここからは、このCP対称性が、この学術変革領域の研究テーマとなっている素粒子や宇宙に関する深い謎とどのように関係しているのかをご紹介しましょう。

この宇宙の成り立ちに関する大きな謎の一つは、「なぜ現在の宇宙では、反粒子からできた反物質よりも、粒子からできた物質の方が圧倒的に多いのか」という問題です。この違いを生み出すためには、粒子と反粒子の振る舞いに何らかの違いが必要であり、CP対称性の破れが重要な鍵となります。CP対称性は先に述べた小林益川機構によって破れていますが、この宇宙の物質と反物質の違いを生み出すためには、さらに追加のCP対称性の破れが必要であることが分かっています。そのような仕組みの代表例の一つが「レプトジェネシス」です。代表的なレプトジェネシスのシナリオでは、CP対称性の破れに加えて、ニュートリノが「マヨラナ粒子」と呼ばれる種類の粒子であることが重要になります。マヨラナ粒子とは、粒子と反粒子が同じものになっているという不思議な性質を持つ粒子です。ニュートリノがこの性質を持っているならば、「ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊」という非常に稀な原子核の崩壊が起こる可能性があります。A01班やA02班では、この現象を発見するための実験が進められています。

「CP対称性が破れていること」だけでなく、実は反対に、「CP対称性がほとんど破れていないこと」に関する謎もあります。陽子や中性子は三つのクォークが集まってできており、このクォークを強く結びつけているのが「強い相互作用」と呼ばれる力です。理論上、強い相互作用でもCP対称性が破れていてよいはずなのですが、不思議なことに、その破れが極めて小さいことが分かっています。小林益川機構によるCP対称性の破れそのものはすでに観測されているのに、なぜ強い相互作用ではほとんど破れていないのでしょう。この謎は「強いCP問題」と呼ばれ、現在も解決されていない問題です。この問題を解決するために提案されたのが、アクシオンと呼ばれる新しい素粒子です。アクシオンは強いCP問題を解決するだけでなく、宇宙の暗黒物質の候補でもあります。もしかすると、B01班で進められているアクシオン探索実験によって発見されるかもしれません。

E01班では、こうした素粒子や宇宙の謎を解明するため、理論研究を進めています。例えばレプトジェネシスについては、ニュートリノの質量や二重ベータ崩壊の測定によって、宇宙初期に存在したと考えられる未知の重い粒子について、どこまで情報が得られるのかを理論的に調べました。またアクシオンについても、アクシオンを自然な素粒子理論の中でどのように実現できるかを研究しています。最近の研究では、標準理論が持つ性質を手がかりに、そのようなアクシオンを実現する新しい理論を提案しました。このようにE01班では、素粒子や宇宙に関する理論そのものを研究するだけでなく、様々な物理の謎や様々な実験を理論によって結びつける研究を進めています。





CP対称性は、「なぜ宇宙に物質が残ったのか」という問題にも、「なぜ強い相互作用ではCP対称性がほとんど破れていないのか」という問題にも登場します。小学校の算数で習った「対称」という考え方を自然法則にまで広げていくと、素粒子の世界と宇宙の成り立ちを結ぶ、大きな謎へとつながっているのです。