新たな実験が原子核の有力な理論に疑問を投げかける

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

陽子と中性子を結びつける強い核力の新たな測定により、これまで示唆されてきた不快な真実が確認された。つまり、最も単純な核システムさえも、いまだにしっかりと理論的に理解できていないということだ。

強い核力を検証するため、物理学者たちは陽子2個と中性子2個からなるヘリウム4原子核に注目した。ヘリウム原子核は励起されると、陽子の1つが破裂するまで膨らむ風船のように成長する。驚くべきことに、最近の実験では、ヘリウム原子核は計画通りには膨らまず、破裂する前に予想以上に膨らんだ。この膨張を表す指標である形状係数は、理論予測の2倍の大きさである。

「理論はうまくいくはずだ」と、マインツのヨハネス・グーテンベルク大学の理論物理学者で、フィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載されたこの矛盾を説明した論文の著者であるソニア・バッカ氏は述べた。「私たちは困惑しています」

研究者によると、膨張するヘリウム原子核は、まるで顕微鏡のように理論​​計算の欠陥を拡大できるため、原子核理論を検証するためのミニ実験室のようなものだという。物理学者たちは、この膨張の特定の特性により、核力の最も微弱な要素、つまり通常は無視されるほど小さな要素に対しても極めて敏感になると考えている。原子核の膨張量は、原子核物質の柔らかさとも相関しており、この性質は中性子星の神秘的な中心部への洞察をもたらす。しかし、中性子星における物質の圧縮を説明する前に、物理学者たちはまず、自分たちの予測がなぜこれほどまでに外れているのかを解明しなければならない。

フランス国立科学研究センターの原子核理論学者、ビラ・ファン・コルク氏は、バッカ氏らの研究チームが原子核物理学における重大な問題を露呈させたと述べた。彼らは、原子核相互作用に関するこれまでの最良の理解、すなわちカイラル有効場理論として知られる枠組みが、これまで不十分であった例を発見したのだ、とコルク氏は述べた。

「この移行により、他の状況ではそれほど重要ではない[理論上の]問題が拡大される」とファン・コルク氏は述べた。

強い核力

原子核子（陽子と中性子）は強い力によって結合しています。しかし、強い力の理論は、核子がどのように結合するかを説明するために開発されたわけではありません。むしろ、陽子と中性子がクォークとグルーオンと呼ばれる素粒子からどのように構成されているかを説明するために最初に使用されました。

長年にわたり、物理学者たちは強い力を使って陽子と中性子の粘着性を理解する方法を理解できませんでした。問題の一つは、強い力の奇妙な性質でした。それは、距離が離れるにつれて徐々に弱まるのではなく、強くなるのです。この特性のために、物理学者たちは従来の計算手法を用いることができませんでした。素粒子物理学者が特定の系を理解しようとする場合、通常、力を扱いやすいおおよその寄与に分割し、それらの寄与を最も重要なものから最も重要でないものの順に並べ、重要度の低い寄与を無視します。しかし、強い力ではそうすることができませんでした。

そして1990年、スティーブン・ワインバーグはクォークとグルーオンの世界を粘着性原子核に結びつける方法を発見しました。その鍵は、有効場理論を用いることでした。これは、特定のサイズ（またはエネルギー）スケールにおける自然現象を記述するために必要な詳細度のみを持つ理論です。原子核の挙動を記述するために、クォークやグルーオンについて知る必要はありません。その代わりに、これらのスケールでは、新たな有効力、すなわちパイオンの交換によって核子間で伝達される強い核力が出現します。

ワインバーグの研究は、物理学者が強い力から強い核力がどのように生じるのかを理解するのに役立ちました。また、近似寄与の通常の方法に基づく理論計算も可能にしました。この理論（カイラル有効理論）は現在、原子核の挙動を支配する力を計算するための「最良の理論」と広く考えられているとバッカ氏は述べています。

2013年、バッカはこの有効場理論を用いて、励起されたヘリウム原子核がどれだけ膨張するかを予測した。しかし、自身の計算結果を1970年代と1980年代に行われた実験と比較したところ、大きな矛盾が見つかった。彼女は測定された量よりも膨張量は少ないと予測していたが、実験の誤差範囲が大きすぎて確信を持てなかったのだ。

膨らむ核

問題の兆候が初めて現れた後、バッカはマインツの同僚たちに数十年前の実験を繰り返すよう促した。彼らはより優れたツールを駆使し、より正確な測定が可能だったからだ。この議論が新たな共同研究へと発展した。サイモン・ケーゲルと彼の同僚たちは実験結果をアップデートし、バッカと彼女の同僚たちは、もし同じ興味深い不一致が現れたならば、その原因を解明しようとするのだ。

ケーゲルらは実験で、冷たいヘリウムガスの入ったタンクに電子ビームを照射することで原子核を励起した。電子がヘリウム原子核の1つに接近すると、その余剰エネルギーの一部を陽子と中性子に与え、原子核を膨張させた。この膨張状態は束の間のもので、原子核はすぐに陽子を1つ失い、2つの中性子と1つの自由陽子を持つ水素原子核に崩壊した。

他の原子核遷移と同様に、特定の量のエネルギーが与えられた場合にのみ、原子核は膨張します。電子の運動量を変化させ、ヘリウムの反応を観察することで、科学者たちは膨張を測定することができました。研究チームは次に、原子核の広がり（形状因子）の変化を様々な理論計算と比較しました。どの理論もデータと一致しませんでした。しかし奇妙なことに、最も近かった計算は、カイラル有効場理論ではなく、過度に単純化された核力モデルを用いていました。

「これは全く予想外のことでした」とバッカ氏は語った。

他の研究者たちも同様に困惑している。「これはクリーンでよくできた実験です。だからデータは信頼できます」と、イタリアのピサ大学の物理学者、ローラ・エリサ・マルクッチ氏は述べた。しかし、実験と理論は互いに矛盾しており、どちらかが間違っているはずだと彼女は言う。

フォースにバランスをもたらす

後から考えてみると、物理学者たちには、この単純な測定が核力の理解の限界を探るものになるのではないかと疑う理由がいくつかあった。

まず、このシステムは特に厄介です。研究者が研究対象としている状態である、一時的に膨張したヘリウム原子核を生成するために必要なエネルギーは、陽子を放出するのに必要なエネルギーのすぐ上、中性子を放出するのに必要なエネルギーのすぐ下にあります。そのため、あらゆる計算が困難になります。

2つ目の理由は、ワインベルクの有効場理論に関係しています。この理論がうまく機能したのは、物理学者が方程式の重要度の低い部分を無視することを可能にしたからです。ヴァン・コルクは、重要度が低いとされ、日常的に無視されてきた部分の中には、実は非常に重要なものがあると主張しています。彼によると、今回のヘリウム測定によってもたらされた顕微鏡は、その基本的な誤りを明らかにしているのです。

「こうした計算は非常に難しいので、あまり批判的になりすぎることはできません」と彼は付け加えた。「彼らは最善を尽くしているだけです。」

ファン・コルク氏を含む複数の研究グループが、バッカ氏の計算を再現し、何が間違っていたのかを解明しようと計画している。核力の近似式に単純に項を追加するだけで解決できる可能性もある。一方で、これらの膨張するヘリウム原子核が、核力に関する私たちの理解に致命的な欠陥を露呈させた可能性もある。

「私たちはパズルを解き明かしましたが、残念ながらまだ解けていません」とバッカ氏は言った。「まだです。」

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。