この小さな電子は、これまでで最も徹底的な物理的検査を受け、科学者たちはそれがほぼ、ほぼ完璧な球体であると報告しています。インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは、この電子が完全な球体からわずか0.0000000000000000000000000001センチメートルしか離れていないと判定しました。言い換えれば、この電子を太陽系の大きさに拡大した場合、人間の髪の毛ほどの大きさだけ、完璧な球体からずれてしまうことになります。
小数点以下のゼロは26個あります。目を細めて数えるのが面倒な場合はご容赦ください。良いニュースは、これは量子電磁力学の最良の理論が完全に間違っているわけではないことを示しているということです。悪いニュースは、科学者たちが未だにすべてのものが存在する理由を解明できていないということです。
この驚くべき精度は、フッ化イッテルビウム分子を用いた10年以上にわたる実験の結果です。この研究は本日、 Nature誌に掲載されました。インペリアル・カレッジ・ロンドンの冷物質センターの科学者たちは、特殊なレーザーを用いて分子内の電子の運動を観察しました。もし電子が完全に円形でなければ、その揺れによって分子全体の形状が歪んでしまうでしょう。
「もし電子が円形でなければ、電場の中に置かれると、まるでコマのように回転運動をするはずです」と、インペリアル・カレッジ・ロンドンの物理学者、ジョニー・ハドソン氏はメールで述べた。「この回転運動の証拠は見つかりませんでした。」
科学者が電子が丸いかどうかを知りたいのは、それが量子電気力学の定説について何を教えてくれるかによる、とハドソン氏は説明した。
もし電子が丸ではなく楕円形であれば、通常の電子とその反物質の分身である陽電子との重要な違いを示唆していたはずです。これは、宇宙が反物質よりも物質が優勢であり、したがって何もないのではなく何かが存在する理由を説明するのに役立つかもしれません。
現代物理学によれば、ビッグバン直後、宇宙は物質と反物質が等量ずつで構成され、この二つの相反する性質はすぐに消滅し始めました。本来であれば全てが相殺されるはずでしたが、星、惑星、そして人類が存在するということは、何らかの出来事によって反物質と物質の対称性が破られ、物質が宇宙に浸透するようになったということです。
「物質と反物質の不均衡を説明するには、おそらく、粒子と反粒子の間に、まだ観測されていない何らかの差異が存在する必要があるでしょう。非球形の電子は、そのような差異の明確な証拠となるでしょう」とハドソン氏は述べた。
しかし、粒子は丸いので、この物理的な違いが原因ではないようです。間もなく閉鎖されるテバトロンと大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での実験によって、この現象はより詳細に解明されるでしょう。
それでも、私たちの存在を構成する最小の構成要素の大きさや外観を把握することは、いわば役に立つ。例えば昨年、ドイツのガルヒンクにあるマックス・プランク量子光学研究所のランドルフ・ポール率いる科学者たちは、陽子がこれまで考えられていたよりも4%小さいことを明らかにした。素粒子のより正確な定義は、量子電磁力学の最良の理論を洗練し、強化するのに役立つ。
では、なぜ電子はわずかに歪んでいるのでしょうか？それは、電子と他の短命な物質の雲との相互作用に関係しています。
「量子場理論が教えてくれたことの一つは、私たちが空虚な空間と呼んでいるものは実際には空虚ではないということです。むしろ、物理学者が『仮想粒子』と呼ぶもので満たされているという見方です。これらは物質と反物質の粒子で、一瞬にして現れたり消えたりするものです」とハドソンは説明する。「電子のような『実在する』物質は、どれもこうした仮想粒子の雲を伴って動き回っているのです。」
ハドソン氏とその同僚たちは、電子とその小さな雲の形状を実際に測定しました。電子と仮想粒子との相互作用によって、この極めて小さな歪みが生じます。
最も小さなものでさえ完全に丸くないのなら、真に完全な球体と言えるものなどあるのだろうか？ハドソン氏は、真球かどうかは知る由もないと述べ、測定値を精緻化して「これ以上歪んでいない」と断言するしかないと付け加えた。完全な球体であることは、重力探査機Bのような科学実験では実際に重要だ。この探査機は、その完璧さでギネス世界記録に認定されている石英シリコン球体で作られた4つのジャイロスコープを使用している。しかし、それでもなお不完全さが残っており、科学者たちは最近発表された歪んだ時空測定の正確さを確かめるために、数年にわたる計算をしなければならなかった。
現実の基本的な性質を理解する上で重要なだけでなく、この電子測定実験はより優れた原子時計の構築にも役立つ可能性があるとハドソン氏は述べた。
「私たちの研究は、この分野から多くの恩恵を受けており、逆に私たちの開発の多くは時計メーカーにとって有用です」と彼は述べた。また、現在のコンピューターでは研究するには複雑すぎるシステムのシミュレーションにも役立つ可能性がある。
ハドソン氏、共著者のエドワード・ハインズ氏、そしてコールドマターセンターの他の研究者たちは、10兆分の1センチメートルの精度に満足せず、測定精度をさらに向上させる新たな手法の開発に取り組んでいる。彼らは分子を極低温まで冷却し、その正確な運動を制御する新たな方法の開発に取り組んでおり、これは大きな成果となるだろう。このような技術は、例えば化学反応の制御に利用できる可能性がある。
「私たちが開発したこれらの技術は非常に汎用性が高く、多くの分野で応用されています」とハドソン氏は語った。
