宇宙線からクォークに至るまで、宇宙に存在するあらゆる粒子はフェルミオンかボソンのいずれかです。これらの分類は、自然界を構成する要素を2つの異なる領域に分けます。そして今、研究者たちは第三の粒子領域の最初の例を発見しました。
エニオンとして知られる粒子は、フェルミオンやボソンのどちらにも似ておらず、その中間的な振る舞いをします。Science誌に最近発表された論文で、物理学者たちはこれらの粒子がどちらの王国にも当てはまらないことを示す初の実験的証拠を発見しました。「ボソンとフェルミオンという二つの王国がありましたが、今やこの第三の王国が誕生したのです」と、マサチューセッツ工科大学のノーベル賞受賞物理学者フランク・ウィルチェク氏は述べています。「まさに画期的な発見です。」
エニオンとは何ですか?
量子王国を理解するには、ループの図を思い浮かべてみてください。電子のように、区別のつかない二つの粒子を想像してみてください。片方を取り、もう片方の周りをループさせて、元の位置に戻します。何も変わっていないように見えます。実際、量子力学という数学的な言語では、初期状態と最終状態を記述する二つの波動関数は、等しいか、-1倍ずれているかのどちらかです。（量子力学では、観測される事象の確率はこの波動関数を2乗することで計算するため、この-1倍の係数は消えてしまいます。）
波動関数が同一であれば、量子粒子はボソンです。もし波動関数が-1倍ずれていれば、フェルミオンです。この導出は純粋に数学的な演習のように見えるかもしれませんが、物理的に深遠な意味を持ちます。
フェルミオンは粒子世界における反社会的な存在です。彼らは決して同じ量子状態をとることはありません。そのため、フェルミオンである電子は、原子を取り囲む様々な原子殻に押し込められます。この単純な現象から、原子内の空間の大部分、周期表の驚くべき多様性、そして化学のすべてが生まれます。
一方、ボソンは集団的な粒子であり、互いに集まって同じ量子状態を共有することを好みます。そのため、ボソンである光子は互いに透過することができ、光線は散乱することなく妨げられることなく進むことができます。
しかし、ある量子粒子を別の量子粒子の周りをループさせたとき、同じ量子状態に戻らない場合はどうなるでしょうか？この可能性を理解するには、形状を数学的に研究するトポロジーについて少し触れておく必要があります。2つの形状が位相的に等価であるとは、切ったり貼ったりすることなく、一方が他方に変形できることを意味します。ドーナツとコーヒーマグは、どちらか一方がゆっくりと、そして継続的に変形できるため、位相的に等価であるという古い諺があります。
一つの粒子を別の粒子の周りで回転させたときにできたループを考えてみましょう。三次元では、このループを一点まで縮小することができます。位相的に言えば、粒子は全く動いていないかのようです。
イラスト: 5Wインフォグラフィックス
しかし、2次元ではループは縮むことができません。ループは他の粒子に引っかかってしまうからです。ループを縮めるには、必ず切断しなければなりません。この制約（2次元にのみ存在する）のため、ある粒子を別の粒子の周りでループさせることは、粒子を同じ場所に留めておくことと等価ではありません。
第三の粒子の可能性、すなわちエニオンが必要です。エニオンの波動関数は、フェルミオンとボソンを定義する二つの解に制限されないため、これらの粒子はどちらにもなれるだけでなく、その中間のどんな粒子でも構いません。ウィルチェクが初めてエニオンという用語を作ったとき、それは冗談めいた「何でもあり」という示唆でした。
実験
「位相幾何学的論証は、これらのエニオンが存在する可能性を初めて示唆した」と、パリ・ソルボンヌ大学の物理学者で、今回の実験を率いたグウェンダル・フェーヴ氏は述べた。「残されたのは、物理系を見つけることだった。」
電子が二次元運動に制限され、絶対零度近くまで冷却され、強い磁場にさらされると、非常に奇妙な現象が起こり始めます。1980年代初頭、物理学者たちはこれらの条件を用いて「分数量子ホール効果」を初めて観測しました。これは、電子が集まって、単一の電子の電荷のほんの一部を持つ、いわゆる準粒子を生成する現象です。（電子の集団的な振る舞いを粒子と呼ぶのが奇妙に思えるなら、3つのクォークからなる陽子を考えてみてください。）
1984年、ウィルチェク、ダニエル・アロヴァス、ジョン・ロバート・シュリーファーによる2ページの画期的な論文は、これらの準粒子がエニオンでなければならないことを示しました。しかし、科学者たちはこれらの準粒子においてエニオンのような振る舞いを観測したことがありませんでした。つまり、エニオンがフェルミオンやボソンとは異なり、互いに束になることも完全に反発することもないことを証明できなかったのです。
まさにそれが今回の研究の目的です。2016年、3人の物理学者が2次元の微粒子衝突装置に似た実験装置を考案しました。フェーヴ氏と彼の同僚たちは、これと似た装置を構築し、エニオンを衝突させました。衝突装置内の電流の変動を測定することで、エニオンの挙動が理論予測と正確に一致することを実証しました。
「すべてが理論と非常に完璧に合致しており、疑問の余地はありません」と、ブラウン大学の物理学者ドミトリ・フェルドマン氏は述べた。フェルドマン氏は今回の研究には関わっていない。「私の経験では、この分野では非常に異例なことです。」
「長年にわたり、多くの証拠が提示されてきました」とウィルチェク氏は述べた。「しかし、『特定の現象を指し示し、その現象はエニオンによるものであり、他の方法では説明できないと言えるでしょうか？』と問われれば、これは明らかに別のレベルにあると思います。」
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
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