モノは何でできている？

モノは何でできている？　謎の解明へ日本も一役

　　万物を構成する原子の中心には原子核があり、原子核の中には陽子と中性子という「核子」がある。クォークで構成されていると考えられる核子は、まだまだ謎だらけの世界だ。核子の内部はどのようになっているのか、日本も加わる国際共同実験で探査が進んでいる。

■秘められた「クォークの海」

＊ＣＥＲＮで始まったコンパス２実験の施設（提供：日経サイエンス）

　核子の半径は1000兆分の１メートル程度と超微小だ。ただ、核子を構成する素粒子クォークは無限小の点と考えられているので、クォークの立場から見れば核子の内部も宇宙のような広大な世界になる。

　これまでの研究によると核子内部には膨大な数のクォークのほかに、同じく膨大な数の反クォークも存在し、総数でいえば、クォークの方がごくわずか、具体的には３個だけ多いことがわかっている。ここで反クォークとは、物質とは正反対の特性を持つ「反物質」を構成する素粒子だ。つまり核子内部はクォークや反クォークで満ちあふれた海のようになっている。

　この「クォークの海」にはいくつもの謎がある。１つは成分組成の謎だ。クォークと反クォークにはいくつもの種類があるが、反クォークについて種類別の割合を実験で調べると、理論予想とは大きくずれていることがわかってきた。本当にそんなずれが存在するのか、より詳しい実験による検証が進んでいる。米シカゴ近郊にある米国立フェルミ加速器研究所での「シークエスト実験」で、日本からは東京工業大学のほか山形大学、理化学研究所、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）が加わっている。

■コマのように自転

　もう１つは「スピン」に関する謎だ。クォークや反クォークを微小な球に見立てると、その球はコマのように自転している。一方、核子も球に見立てることができて、これも一種の自転をしている。こうした自転によって生じる物理量をスピンという。核子はクォークと反クォークが集まってできているのだから、それらが持つスピンを合算すれば核子のスピンになると、当初は考えられていた。ところが実際に調べてみると、クォークと反クォークのスピンを合算しても、核子が持つスピンの３割ほどしか説明できないことがわかってきた。

　では残る７割は何に由来するのか。それを探ろうという実験が、今年５月からスイス・ジュネーブ近郊にある欧州合同原子核研究機関（ＣＥＲＮ）で始まった。「コンパス２実験」と呼ばれるもので、日本からは山形大学のほかＫＥＫと宮崎大学、中部大学が参加している。これら２つの国際共同実験によって、核子に封じ込められたクォークの海の謎を解く新たな手がかりが得られそうだ。2015/6/27 12:00　日経