人類を何千年も悩ませてきた疑問に、サウサンプトン大学とインド工科大学カンプール校の研究者2人が、物理学者が何十年も丁寧に無視してきた粒子、すなわち「デカップルされた」重いニュートリノを使った答えを提案した。Physical Review Lettersに掲載されたこの理論は、ニュートリノの見過ごされてきた親戚が、なぜ物質がビッグバンを生き延びて反物質が消えたのかの決定的要因だった可能性を示唆している。

問題は単純だが、存在論的に恐ろしい：初期宇宙は物質と反物質をほぼ等量生成した。両者が出会うと、エネルギー爆発で互いに消滅する。量が完全に釣り合っていたなら、事実上すべての物質が消え、星も惑星も、ましてや星や惑星の不在を考察する者も残らなかっただろう。

そこで登場するのがデカップルされた重いニュートリノである。通常のニュートリノの仮説上の重い従兄弟で、すでに極めて軽く、通常の物質とほとんど相互作用しないことで有名な粒子だ。「デカップルされた」種類は一般に、他の粒子との結びつきが弱すぎて重要な影響を与えられないと考えられてきた。何十年もの間、素粒子物理学における背景のエキストラのような存在だった。

しかし新しい計算によれば、その異常に長い寿命が計算を変える。この粒子はビッグバン後に宇宙が冷える中で、一時的に宇宙のエネルギー密度を支配するほど長く生き残り、物質支配の時期を引き起こして初期宇宙の進化を変えた可能性がある。

研究著者の一人、サウサンプトン大学のリシャブ・ロシャン博士は率直に語る。「このデカップルされた重いニュートリノは、素粒子物理学では無関係な背景の詳細として長く片付けられてきました。しかし、それは信じられないほどゆっくり崩壊します。ビッグバン後に宇宙が冷えると、この粒子は十分長く生き残り、一時的に宇宙のエネルギー密度を支配し、物質支配の時期を引き起こしたのです」。

物質と反物質の非対称性を説明する従来の試みは、この粒子を完全に除外するのが一般的だった。それほど弱く相互作用するものが、不均衡を生むプロセスに影響を与えられるはずがないという、もっともらしい理由からだ。新しい研究はその仮定に挑み、極めて弱い相互作用しか持たない粒子でも、物質が決定的な優位を得る条件に間接的に影響し得ることを見出した。

「私たちがここに存在するという事実そのものが、物質と反物質の間に非対称性が生じたことを証明しています」とロシャン博士は付け加える。「デカップルされたニュートリノは、電子や他のレプトンといった基本粒子が標準模型のヒッグス粒子の助けを借りて反粒子と相互作用する初期宇宙の温度を変化させました。この温度は、物質と反物質の不均衡がどのように構築されたかを形作るスイッチのような働きをします」。

ヒッグス粒子とは、多くの素粒子に質量を与える機構に関連する基本粒子である。研究者のシナリオでは、重いニュートリノがヒッグスに関わる主要な粒子相互作用を支配する温度条件を変え、それらの相互作用が起こる時期を実質的にずらし、不均衡の発展に影響を与えた。言い換えれば、長く取るに足らないとされてきたものが、宇宙に物質が存在する理由を決定づけたかもしれないのだ。

この理論は、宇宙が初期段階でどのように膨張したかにも影響を及ぼす。共同著者でインド工科大学カンプール校のスディプタ・ショウ博士は、この発見が忘れられた粒子が若い宇宙の膨張史を劇的に変えた可能性を示唆すると述べた。「それは物質がどのように勝利したかについて新しい説明を提供します」と彼は言う。「初期宇宙膨張の劇的な変化は、例えば原始重力波に、検出可能な明確な痕跡を残します。これらの重力波の特徴は、私たちが解き明かすための新たな道を開きます」。