電子の寿命は宇宙の年齢の500京倍以上。てか、電子も死ぬの?

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思ってたよりさらに長生きだった。

物理学の世界には、電子は基本的になくならないものだという前提があります。今回それを覆す可能性もある実験が行われた…のですが、結果的には従来の考え方の正しさが再度裏付けられることとなりました。でもその実験によって、電子の最短寿命が今まで考えられていたよりさらに長いらしいことがわかりました。何しろ6.6×10の28乗=66000000000000000000000000000年または6.6穣年というまさにケタ外れの長さであり、宇宙の今の年齢と比べてもその約500京倍の年月なんです。

長い長い時間

電子は亜原子粒子の中で一番軽く、マイナスの電荷を持っています。そこには内部構造がないとされ、そのため宇宙に存在するもっとも基本的な要素だと考えられています。

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Borexinoの施設(Credit: INFN/Gran Sasso)

でも他の素粒子も崩壊していくんだから、電子だってたまにはするんじゃないか、するならどれくらいの頻度で?という考え方が、この実験の背景にあります。イタリアで行われている粒子物理学実験Borexinoを進める国際研究チームは、電子がより軽い粒子に崩壊していく兆候を見つけるべく膨大なデータを集めたのです。結果、電子崩壊の証拠は見つけられませんでした。研究チームにも想定内だったようですが。

でもそれは実験失敗ということではなく、むしろ良いことなんです。なぜなら、今までの前提を覆す証拠が見つからなかったということは、逆に従来の物理学の裏付けになるからです。彼らがもし、電子が光子やニュートリノといった低質量の素粒子に崩壊している証拠を見つけていたら、電荷保存則が破られてしまいます。そんな発見があったら、従来の標準モデルを超えた新たな物理学が必要になります。

この実験の成果は、それだけではありません。研究チームは、今までで最も正確に電子の寿命を測ることに成功したのです。彼らの計算によると、今ある電子は今後6.6×10の28乗年、Physics World紙いわく「現在の宇宙の年齢の500京倍ほど」存在し続けるようなんです。この研究の詳細は、学術誌「Physical Review Letters」に掲載されています。

何をどうやってそんなエクストリームな数字に行き着いたのか、APS Physicsの記事が説明しています。

Borexinoは、石油ベースの液体を入れた構造物で構成されている。その中で、ほとんど質量のない中性粒子であるニュートリノが電子にぶつかり、液体の中の原子から解放すると、液体が光る仕組みである。検知器であるBorexinoには光電子増倍管が約2,000あり、そこで光を増幅し、感知する。研究チームは、電子が光子またはニュートリノへ崩壊することでできる光子に対する検知器の感度を計算した。…彼らは次に、電子の静止質量の半分にあたる256キロ電子ボルト近いエネルギーのある光子の「イベント」を探した。

彼らは全部で408日分のデータを分析しましたが、何も見つかりませんでした。でも彼らはそれによって、電子の寿命が従来考えていたより長いと判断できたのです。

ただ電子の寿命が長いといっても、実際にそれほど長い間存在し続けるという意味ではありません。まず宇宙そのものが、そんなに先まで存在し続けないはずです。仮に存在していたとしても、たとえばビッグ・リップ(宇宙終焉仮説のひとつ)が実際起きて宇宙のすべてがバラバラになってしまったら、電子などの粒子の基本的性質は完全に違うものになってしまう可能性が高いです。

今回の発見をもっと厳密に言うと、電子が存続しうる最短時間の推定値が100倍になった、ということです。元々の値は1998年、同様の実験で推定された「6.6×10の26乗年」だったのが、「6.6×10の28乗年」に塗り替えられたのです。これはつまり、万一電子が崩壊するとしても、それには最低6.6×10の28乗年かかるということです。

崩壊の証拠は(まだ)なし、でも探す

どちらにしてもものすごく長い寿命であると推定されているのは、電子が本当に崩壊しないかどうかまだ完全には確定していないからです。Borexinoで電子の崩壊が見られなかったということは、電子の寿命は少なくとも、新たな推定値くらいはあるのだろうという考え方です。

カリフォルニア工科大学の物理学教授のSean Carroll氏はメールで次のように説明してくれました。

崩壊は、粒子物理学の中では非常に自然な現象です。より重い粒子は、より軽い粒子に崩壊する傾向があります。たとえば単独の中性子は陽子と電子、そして反ニュートリノへと数分で崩壊していきます。それはウランのような放射性原子核が崩壊する現象の素粒子バージョンなのです。

でも決して起こらないように見えることがいくつかあり、それは電荷保存則に表れています。たとえば、電荷の合計は変わりません。また「バリオン数」(陽子と中性子の和から、反陽子と反中性子の和を引いたもの)、「レプトン数」(電子とニュートリノの数の和から、それらの反粒子を引いたもの)も変わりません。これが中性子の崩壊でも満たされることに注目してください。崩壊の前には中性子がひとつあり、電荷は0、バリオン数=1、レプトン数=0です。崩壊後には電荷=0(陽子が+1、電子が-1、反ニュートリノ=0)、バリオン数=1(陽子=1、電子と反ニュートリノ=0)、レプトン数=0(陽子=0、電子=1、反ニュートリノ=-1)です。

バリオン数とレプトン数には、いかなる実験でも変化が見られませんでした。もしそんな発見があればノーベル賞ものです。でも我々は理論的な見地から、それが変化する可能性があり、宇宙の初期には実際変化したと考えているのです。それによって、現在の宇宙には反物質より物質が多いことの説明が付きやすくなるのです。

また「もし電荷が保存されないとしたら、それは非常に衝撃的です」とCarroll氏。「電荷が保存されるからこそ、誰もが電子は崩壊しないと考えているのですから。」

Carroll氏は、電子より軽い粒子は電気的中性なもの、つまりニュートリノ、光子、グルーオン、そして重力子だと言いました。他に軽くて電荷を帯びた粒子があれば、そろそろ発見されていてもいいはずです。つまり、電子が崩壊してそれになるようなものはないのだろうと考えられます。

それでも探さなくては! 宝くじのようなもので、何か見つける可能性は非常に低いのだけど、もし見つかればもうけものです」とCarroll氏。「残念ながら彼らは何も見つけられませんでした。でも『なかった』という結果は、健全な科学をなすための重要な一部なのです

source: APS Physics(12

George Dvorsky - Gizmodo US[原文

(miho)