速報：ノーベル物理学賞受賞 「対称性の破れ」と「小林・益川理論」（協力：理工学研究部 田辺義一，洞口俊博）
2008年ノーベル物理学賞
10月7日，スウェーデン王立科学アカデミーは2008年ノーベル物理学賞について，アメリカ，シカゴ大学エンリコ・フェルミ研究所の南部陽一郎名誉教授と，日本，高エネルギー加速器研究所（KEK）の小林誠名誉教授，京都大学の益川敏英名誉教授の3人に授与すると発表しました。
南部氏は素粒子物理学における自発的対称性の破れを発見，小林氏・益川氏は対称性の破れを理論的に説明しつつ，当時3種類しか発見されていなかった素粒子「クォーク」が最低でもあと3種類，計6種類あることを予言し，その予言は近年完全に検証されました（詳細については次ページ以降で解説します）。
日本人（※1）のノーベル物理学賞の受賞は，2002年，東京大学の小柴昌俊名誉教授（天体物理学とくに宇宙ニュートリノの検出に対するパイオニア的貢献）以来6年ぶり，ノーベル賞各賞の受賞者は合計15人になりました。
※1 南部陽一郎名誉教授は東京のお生まれですが，現在はアメリカに帰化されています。
宇宙誕生と素粒子（※2）論の基礎
地球館地下3階で公開中の『宇宙の歴史』映像より私たちが今存在しているこの宇宙は，いつ，どのように誕生したのでしょうか？
現在最も有力な考え方とされている「ビッグバン理論」によると，宇宙は今から約137億年前，極めて微小・高温・高エネルギー・高密度の状態で始まりました。
その状態より前については現在明確な理論がないため，これを誕生と呼ぶことにすると，宇宙は誕生以来膨張と冷却の歴史を辿って来ています。
誕生からおよそ10-43秒後までの世界については，未だ判っていることは多くありません。後に4つの相互作用と呼ばれる，「重力」「電磁気力」「弱い相互作用（素粒子の間に働く，ごく近距離のみで作用する力。原子核のβ崩壊に関わる）」「強い相互作用（核力）」の4種の力が分離していなかった時代とも言われますが，それを説明する理論は完成されていません。
10-43秒を過ぎると，宇宙の冷却と膨張によって相互作用や素粒子がそれぞれ分離・誕生するようになります。
10-36から10-34秒後，空間が全ての方向に同じスピードで指数関数的に膨張する「宇宙のインフレーション」が発生，宇宙は微視的な大きさから，「観測可能な大きさ」にまで成長しました。
この急激な膨張が終わった時（インフレーションは終了したとも，形を変えて続いているとも言われており結論は出ていません）宇宙は，「クォーク」と「レプトン」に支配されていました。
クォークは陽子や中性子，中間子などを構成する素粒子で，軽い（エネルギーの低い）ものから順に「アップ」「ダウン」「ストレンジ」「チャーム」「ボトム」「トップ」の6種類が現在見つかっています。またそれぞれが，自身と同じ質量を持ち，反対の性質を持つ（色荷，カラーなどと呼ばれますがここでは割愛します）反粒子，「反クォーク」を持っています。
原子は原子核と電子から，原子核は陽子と中性子からできていますが，陽子はアップクォーク2個とダウンクォーク1個，中性子はダウンクォーク2個とアップクォーク1個からなります。陽子や中性子のようにクォーク3個からできている粒子をバリオン，中間子のようにクォークと，性質の異なる反クォークそれぞれ1個からできている粒子をメソン，またバリオンとメソンをまとめてハドロンとも呼びます。
レプトンはクォークよりも軽い素粒子で，クォークとは異なり「強い相互作用」の影響を受けません。1個で独立して存在でき，電子や陽電子，ニュートリノがそうです。
宇宙が成長を始めた最初期には，高温のためにクォーク同士は結合せず，それぞれ単独で存在していました。しかし10-6秒後から1秒後までの間に，宇宙の温度はおよそ1兆度にまで下がり，エネルギーの低下によってクォークは結合してハドロンとなりました。
対応する粒子と反粒子は，衝突すると消滅し，エネルギーまたは他の粒子に変換されます。これを対消滅といい，宇宙の初期に生まれたハドロンと反ハドロン，レプトンと反レプトンはほとんどが対消滅しました。
生まれた粒子と反粒子の数が全く同じであれば全てが対消滅し，後には何も残らなかったかもしれません。しかしここまで至る間に何らかの理由で，粒子の数が反粒子の数を上回るようになっており，最終的に一部の粒子が消滅することなく残りました。
宇宙誕生から約3分後，ハドロンのうち陽子と中性子が結合し，最初の原子核がつくられ始めました。
およそ38万年後，宇宙の温度は3千度まで低下し，原子核は電子を捕獲して原子となりました。それまで光と衝突してその進路を妨げていた電子が原子に取り込まれたことで，光は物質に干渉されることなく直進することができるようになりました。これを「宇宙の晴れ上がり」と呼び，これ以降の宇宙は現在の地球からも観測することができます。
※2 素粒子とは，物質を構成する最小の単位であり，それ以上細かい構造に分けることができないものとされています。陽子や中性子もかつては素粒子と考えられていましたが，現在は更に細かい構造，クォークに分けられることが判ったため否定されました。クォークがもし更に微小な何かの集合体であった場合，その「何か」が素粒子となりクォークは素粒子ではないということになりますが，今のところその可能性は示唆されていません。
「自発的対称性（※3）の破れ」と「小林・益川理論」
素粒子が持つエネルギー，若しくは質量は，宇宙創成のどの段階で，どのような機構によって獲得されたのでしょうか？これは現在の宇宙論に残る，大きな謎のひとつです。
初期の宇宙では素粒子には質量がなく，全ての素粒子は空間の中を自由に動き回っていたと考えられています。しかしある時真空の性質が変化してエネルギー構造が変わり，素粒子の動きを阻害するようになりました。この時素粒子に掛かるようになった抵抗の大きさが，素粒子の質量だと考えることができます。
南部名誉教授は1960年，この時の真空の性質の変化について，超伝導（※4）の考え方にヒントを得た，「自発的対称性の破れ」として説明しました。現在ではこの「自発的対称性の破れ」はクォークと反クォークが宇宙に充満したことによって起こったと解釈されています。
また前項で，粒子と反粒子の対消滅が起こる前後の宇宙について，「何らかの理由」によって粒子の数が反粒子の数を上回っていたために粒子が残った，とご紹介しました。
この「何らかの理由」も未だ解決されていない謎として残っていますが，少なくとも現状で粒子だけが残っている以上，最初期の宇宙で粒子と反粒子のそれぞれを支配していた法則に何らかの違いがあったことになります。この違いを「CP対称性の破れ」と呼びます。
CP対称性の破れが何によってもたらされたものかは判っていませんが，小林名誉教授と益川名誉教授は1973年，クォークが少なくとも6種類あると仮定し，その6種類がある条件下でそれぞれに入れ替わると考えることでCP対称性の破れを理論的に説明することに成功しました。これが「小林・益川理論」です。
現在6種類が知られるクォークのうち，当時発見されていたのは比較的低エネルギーのアップクォークからストレンジクォークまでの3種類のみでした。しかしその後実験技術の進歩により，翌1974年には早くもチャームクォークが発見され，残る2つ，ボトムとトップについても1995年までに存在が確認されました。
またKEKでは2001年，B0中間子（ダウンクォーク1個と反ボトムクォーク1個）を加速器で崩壊させてCP対称性の破れの大きさを測定する実験を行い，小林・益川理論から導かれた予測値に一致することを確認しました。
※3 自然現象に於ける「対称」とは，位置や状態を変えてもそのものの性質が変化しないことを言います。例えば鏡に写したり，回転させたりしても性質が変わらなければ対称性は維持されています。そのものの性質が変化することを「対称性が破れ」るといい，宇宙論では現在の宇宙に至る粒子や力の形成過程を，様々な対称性が破れたためとして説明しています。
※4 超伝導の詳細についてはここでは触れませんが，超伝導を説明したBCS理論では，超伝導物質内では上向きのスピンを持つ電子と下向きのスピンを持つ電子がペアとなり，金属中に充満しているとしています。このペアは電気抵抗をゼロにするほど物質中をスムーズに移動できますが，ペアを組んでいる電子の一方だけを見れば自由はなく，移動には大きな抵抗が掛かっています。
日本で，世界で－精力的に進められつつある素粒子研究
日本最初のノーベル賞受賞者ともなった湯川秀樹の中間子論，それに続いた朝永振一郎のくりこみ理論以来，日本は素粒子研究で世界のトップレベルの一翼を担ってきました。
現在それを引き継いで行われている先端研究の一部を最後にご紹介しましょう。
原子核や素粒子の研究では，元の原子核を破壊したり，原子核・素粒子を別の原子核・素粒子に変換してその過程で起こる現象や出来上がった新たな粒子を調査・観察する必要があります。
その為に陽子や電子，イオンなど電荷を帯びた粒子を加速して高いエネルギーを与え，衝突させる装置を「加速器」といいます。プラスとマイナスの電極の間に例えばマイナス電荷を持つ電子を置くと，電子はプラス極側に引き寄せられて加速度を得ます。1段階で上がる速度はそれほど大きくありませんが，磁場を使って粒子を一定の軌道の中で周回させ，1周するごとに加速を繰り返すことで光速に近い速度が得られます。
電子と陽電子のように反対の電荷を持つ粒子を逆方向に周回させることで，高エネルギーでの正面衝突を起こさせることが可能になります。
LHC内部（一部） Wikipedia英語版より
日本では大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）が，つくば市に複数の加速器を所有しています。そのうち電子・陽電子加速器のひとつB-ファクトリーで行われたBelle実験は，前述のB0中間子の崩壊や，新しいハドロンの生成について研究するものです。
また陽子加速器では250km離れた岐阜県の神岡宇宙素粒子研究施設（スーパーカミオカンデ）に向けてニュートリノビームを放射，神岡で観測されたニュートリノの数が放出時に比べどれだけ減少したかを調べることで，移動中のニュートリノに性質の変化（ニュートリノ振動）が起こったかどうかを確認しようとしました。この実験は既に成功裏に終了しています。
これらの加速器を上回る巨大な加速器が，国際的な協力によって今年，スイスのジュネーブ郊外に完成しました。欧州原子核研究機構（CERN）が所有する大型ハドロン衝突型加速器（略称LHC）です。これまでの加速器では到達できなかった高速度での陽子・陽子衝突によって生成される素粒子（※5）の観察や，宇宙最初期にあったと言われる，クォーク・グルーオン（※6）・プラズマの観察，衝突エネルギーで生成されると考えられている極小ブラックホールの検出など，注目の実験が数多く予定されています。
日本のグループも一部の実験装置の開発や実験に開発段階から関与しており，今後新たな発見・貢献が期待されます。
LHCは残念ながら，現在電気系統の故障のため運転を停止しており，実験再開は2009年の春以降になる見通しです。
※5 現在理論上存在するとされている粒子の中で未発見となっており，LHCが検出を目指しているもののひとつが，物体に質量を与えるとされるヒッグス粒子です。初期には質量がゼロであった素粒子が質量を得たのは，真空の性質が変化したことにより素粒子の運動に抵抗が生じるようになったためだという説を前項で紹介しましたが，この抵抗を与えている粒子がヒッグス粒子であると考えられています。
※6 グルーオンはハドロンの内部で，クォーク同士の強い相互作用を伝達する粒子です。電荷を持たず，クォーク同様通常の状態では単体で取り出すことはできません。
（研究推進課 西村美里）