カルシウム同位体遷移の非線形性、新物理学の「第5の力」の兆候を提示

自然界の四つの基本的な相互作用の一つである重力は、我々を大地に繋ぎ止める根源的な力として認識されている。しかし、現代物理学の基盤である標準模型は、暗黒物質の未解明など、宇宙の多くの現象を説明しきれていないという根本的な課題を抱えている。この理論的限界を克服するため、物理学界では未知の「第5の力」の存在が精力的に探求されており、2025年に国際的な研究チームが発表した成果が有力な手がかりを提供した。この研究の背景には、トゥールーズ大学ポール・サバティエ名誉教授でありIRAP-CNRSの研究者でもあるジョゼ＝フィリップ・ペレス氏が、専門家の質問ビデオシリーズでこの謎めいた力について過去に洞察を述べていた経緯がある。

当該研究は、特定の原子核構造に依存するカルシウム同位体の原子遷移現象に焦点を当てた。原子遷移とは、電子がエネルギーを吸収して高エネルギー軌道へ励起された後、元の状態に戻る際にエネルギーを放出するプロセスである。この遷移の特性は、原子核内の正確な中性子数によって決定される。標準模型の予測によれば、中性子数が20から28の範囲にある五種類のカルシウム同位体（Ca-40、Ca-42、Ca-44、Ca-46、Ca-48）間の遷移シフトを「キングプロット」と呼ばれる図表にプロットすると、厳密に線形関係を示すはずである。

しかし、国際的な研究者チームがこれらの同位体群の遷移を精密に測定した結果、予測された線形関係からわずかながらも非線形なずれが観測された。この非線形性は、現行の計算ではまだ完全に考慮されていない既知の物理効果に起因する可能性も排除できないものの、電子と中性子の間に作用する微弱な追加的な力の存在を支持する最初の指標として、物理学者は注目している。この仮説上の相互作用は、湯川秀樹博士が提唱した形式に類似しており、特定のボソン粒子、すなわち「湯川粒子」によって媒介されると考えられている。

2025年の『Physical Review Letters』に掲載されたこの研究結果は、この媒介粒子の強度と推定質量に関して、これまでで最も厳しい制約を設定した。具体的には、その質量が約10電子ボルト/c²から1000万電子ボルト/c²の範囲にある可能性が示唆された。ドイツ、スイス、オーストラリアの研究者を含む国際チームは、2026年初頭にかけて、この新たな物理の兆候をさらに検証するための探求を洗練させている。

彼らは現在、カルシウム同位体に対して三つ目のエネルギー遷移を測定しており、キングプロットの三次元版を構築することで、この非線形性の兆候が真の新しい物理現象によるものか、あるいは既存の理論で説明可能なものかを確定させることを目指している。この精密な原子遷移測定は、高エネルギー加速器実験とは対照的に、冷却原子やイオンの精密測定によって新物理に迫るアプローチの一環であり、電子・中性子間の相互作用を媒介する新粒子の探索において重要な手がかりを提供する。