陽子の仲間で初めて見えた『物質と反物質の差』 — CERN LHCbが解析した100兆回の衝突

この記事は研究・論文の内容をわかりやすく紹介したものです。詳細は原著論文・原典をご確認ください。

100兆回の陽子衝突を解析して、ようやく数パーセントの『差』が見えた。物質と反物質を分ける小さな非対称が、陽子の親戚で史上初めて捉えられた。

ラムダbバリオン、物質と反物質で『減衰の仕方』が違った

欧州合同原子核研究機関（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）にある検出器のひとつ、LHCbが2025年春に報告した結果は、素粒子物理学者にとって長年待ち望まれていたものだった。陽子や中性子の親戚にあたる「バリオン」と呼ばれる粒子で、物質と反物質の振る舞いに統計的に有意な違いが見えた、というもの。

具体的には「ラムダb（Λ_b）」というバリオン。クォーク3つでできた重い粒子で、寿命はおよそ1兆分の1秒程度しかない。この粒子と、その反粒子である「反ラムダb」を大量に作って、それぞれが崩壊していく様子を比べたのが今回の解析だ。

研究の核心
LHCb collaboration の2025年Nature掲載論文によれば、ラムダbと反ラムダbの崩壊に、数パーセント程度の非対称（CP対称性の破れ）が確認された。統計的有意性は5シグマを超え、バリオンでこれが観測されたのは史上初。

100兆回の衝突を、14年かけて集めた

「数パーセントの差」と書くとあっさり見えるが、検出するまでに必要だったデータ量はとんでもない。LHCは陽子と陽子を毎秒数千万回ぶつけており、その膨大な衝突の中からラムダbがごく稀に作られる。そのラムダbがどう崩壊したかを正確に追跡する必要もあった。

研究チームは2011年から2018年までと、2022年以降にLHCで蓄積された全データを解析した。総衝突回数はおよそ100兆。その中から、対象となる崩壊イベントが約8万件。差を統計的に取り出すには、これでギリギリだった。

あなたの身体を作っている陽子と、同じ家族で起きていた

あなたの身体を構成している原子の中身——陽子と中性子——は、すべて「バリオン」というカテゴリの粒子。今回CP対称性の破れが見つかったラムダbも、同じ大家族の仲間。

なぜそれが大事か。物理学者の世界には『サハロフの3条件』と呼ばれる、宇宙に物質だけが残るために必要だとされる条件があり、そのひとつが「CP対称性の破れ」だ。自然界の法則が物質と反物質をほんの少しだけ違うように扱う、という性質を指す。

バリオンは中間子と違って粒子と反粒子の境界が明確で、しかも我々の身体を構成する陽子・中性子と同じ大家族。バリオンでのCP対称性の破れ観測は、物質の起源を語るうえで「中間子で見つかった話」とは別の重みを持つ——というのが、現代素粒子物理の標準的な理解。

CP対称性の破れ自体は1964年に中性K中間子で初めて発見され、その後B中間子（クォーク2つでできた粒子）でも確認されてきた。ただし、中間子は『擬似的に物質と反物質が同居している』ような特殊な構造。日常の物質を構成しているのは中間子ではなく、3つのクォークでできたバリオンだ。そのバリオンでCP対称性の破れが見つかったことの物理学的な重みは、中間子のときとは違う。

それでも、宇宙の謎は半分しか解けていない

注意したい点もある。観測された非対称の大きさは、現在の標準理論（標準模型）の予測とおおむね一致している、と研究チームはコメントしている。「想定外の新物理学が見つかった」というよりは、「予測されていた効果が、ようやく直接観測された」と読める。

標準模型の限界
標準模型が予測するCP対称性の破れの量は、現在の宇宙に残された物質量を説明するには「100億倍ほど」足りないとされる。今回の発見は重要なピースだが、宇宙の物質非対称性そのものを説明し切るには未知の物理が必要。

言い換えれば、今回の発見は宇宙の物質非対称性パズルの「重要なピース」ではあるが、「答え」ではない。本当に物質が反物質に勝った理由を説明するには、標準模型を超える未知の物理が必要——その方向の探索が、これから本格化していく。

『宇宙に物質しか残らなかった理由』、いつか完全に説明できると思う？

参考・出典

• Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays (LHCb Collaboration, 2025) — Nature
• Violation of CP-invariance, C-asymmetry, and baryon asymmetry of the universe (A. D. Sakharov, 1967) — JETP Letters
• Evidence of the 2π Decay of the K2 Meson (J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, R. Turlay, 1964) — Physical Review Letters

【今回の発見のポイント】CERNのLHCb実験が、2011年から2018年にかけて記録した約100兆回の陽子・陽子衝突データを解析し、バリオン(陽子の仲間)であるΛ_b⁰粒子で初めてCP対称性の破れを5.2σの統計的有意性で観測しました。これまでCP対称性の破れは中間子(K中間子、B中間子、D中間子)でしか確認されておらず、3クォークから成るバリオンでの確認は素粒子物理学の標準模型における長年の宿題でした。宇宙が物質優勢になった理由を探る大きな一歩です。

【もう少し詳しく】Λ_b⁰がpK⁻π⁺π⁻に崩壊する事象と、その反粒子の崩壊事象を比較したところ、崩壊率に約2.45%の差(A_CP = 2.45 ± 0.46 ± 0.10 %)が見つかりました。ビッグバン直後には物質と反物質がほぼ等量生成されたはずなのに、現在の宇宙は物質ばかりで構成されています。この「バリオン数非対称性」を説明するには標準模型のCP対称性の破れだけでは10桁ほど足りないとされ、今回の結果は標準模型の予言と整合しつつも、HL-LHC(高輝度LHC、2030年運転開始予定)でのさらなる精密測定が新物理探索の鍵になります。

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