物理学者がついに陽子の大きさを解明、そして希望は消える

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2010年、ドイツの物理学者たちは、原子核を構成する正電荷を持つ陽子の大きさを非常に正確に測定したと報告した。その結果は非常に不可解なものでした。

マックス・プランク量子光学研究所のランドルフ・ポール氏と共同研究者たちは、陽子の周りを通常周回する電子をミューオン（電子と同一だが207倍重い粒子）に置き換えた特殊な水素原子を用いて陽子の測定を行った。ポール氏のチームは、ミューオンが周回する陽子の半径が0.84フェムトメートルであることを発見した。これは、20回以上の過去の測定結果の平均によると、通常の水素中の陽子の半径より4%小さい。

もしこの矛盾が現実のものならば、つまり陽子がミューオンの存在下で実際に収縮するのであれば、陽子とミューオンの間に未知の物理的相互作用が存在することを示唆する、まさに根本的な発見となる。それ以来、この可能性について推測する論文が数百本も発表されてきた。

しかし、「陽子半径パズル」が素粒子物理学をひっくり返し、新たな自然法則を明らかにするだろうという期待は、9月6日にサイエンス誌に報告された新たな測定によって打ち砕かれた。

9年前、ポールがミューオン水素の結果を出した後、トロントにあるヨーク大学のエリック・ヘッセルズ率いる物理学者チームは、通常の「電子」水素中の陽子の再測定に着手しました。そしてついに、その結果が発表されました。ヘッセルズらは陽子の半径を0.833フェムトメートル（±0.01フェムトメートル）と算出しました。これはポールの値と完全に一致する値です。どちらの測定値も以前の試みよりも精度が高く、陽子の大きさが状況によって変化しないことを示唆しています。むしろ、電子水素を用いた以前の測定は誤りだったのです。

2018年夏のワークショップでヘッセルスの予備的発見について初めて聞いたポール氏は、陽子半径の謎に対する「最も平凡な説明を示唆するもの」ではあるものの、それを「素晴らしい結果」と呼んだ。

同様に、ヘッセルズ氏も、結果は多少ほろ苦いものであったとしても、彼と同僚たちは自分たちの測定結果が「ミューオン水素における非常に正確な測定結果と一致した」ことに非常に満足していると述べた。「私たちはまだ物理法則のすべてを理解しているわけではないことを知っています」と彼は述べた。「ですから、ヒントを与えてくれるかもしれないあらゆるものを追いかけなければなりません。」

陽子の半径を突き止めるのは容易ではありませんでした。その値を推定するために、ヘッセルズ氏らはラムシフトを測定する必要がありました。ラムシフトとは、水素の第一励起エネルギー準位（2S状態）と第二励起エネルギー準位（2P状態）の差です。ヘッセルズ氏は、1980年代の学部生時代からラムシフトを測定したいと考えていましたが、陽子半径の謎がついにそのきっかけを作ったと述べています。「これは極めて難しい測定です」と彼は言います。「十分な理由が必要でした。」

ラムシフトは、1947年に初めて測定を試みたアメリカの物理学者ウィリス・ラムにちなんで名付けられ、次のように陽子の半径を明らかにします。電子が 2S 状態で陽子の周りを回る際、電子は時間の一部を陽子 (多くの空きスペースがある、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子の集合体) 内部で過ごします。電子が陽子内部にあるとき、陽子の電荷が電子を反対方向に引っ張り、部分的に打ち消し合います。その結果、両者の間の電気的引力が減少し、原子を結合するエネルギーが減少します。陽子が大きいほど、電子が陽子内部で過ごす時間が長くなり、電子の結合が弱くなり、より簡単に飛び出すことができます。

ヘッセルズと彼のチームは、水素ガスの雲にレーザーを照射することで、電子を2S状態から2P状態へとジャンプさせました。この状態では、電子は陽子と重なることはありません。電子がこのジャンプを行うために必要なエネルギーを正確に特定することで、電子が陽子の内部に部分的に存在する2S状態における束縛の弱さが明らかになりました。これにより、陽子の大きさが直接的に明らかになりました。

ポールは2010年に、同じ論理を用いてミューオン水素のラムシフトから陽子半径を推定しました。しかし、ミューオンは電子よりも重いため、2S状態で陽子の周りに密集しています。つまり、ミューオンは陽子内部でより長い時間過ごすことになり、ミューオン水素のラムシフトは、通常の水素よりも陽子半径に対して数百万倍も敏感になります。

後者の場合、ヘッセルスは陽子の半径の正確な値を推測するために、2S と 2P 間のエネルギー差を 100 万分の 1 の精度で測定する必要がありました。

この新たな結果は、電子水素における陽子半径の測定を試みたこれまでの試みが、真の値を大きく上回る傾向があったことを示唆している。なぜそうなるのかは不明である。この謎を解くために、陽子の大きさの測定精度の向上と検証を続ける研究者もいるかもしれないが、ヘッセルズ氏の研究はこれで終了だ。「現在、装置を解体中です」と彼は述べた。

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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