量子真空のゆらぎと実物質生成の関連性を米研究チームが実験的に確認

米国の研究者チームは、素粒子物理学における根源的な問い、すなわち、量子真空のエネルギー変動が検出可能な実在の物質へと転化する稀有な関連性を実験的に裏付けた。この成果は、2026年2月上旬に学術誌『Nature』で公表された。実験は、ニューヨーク州ロングアイランドにある米国エネルギー省（DOE）のブルックヘブン国立研究所（BNL）内の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）において、STARコラボレーションによって達成された。RHICは世界で初めての重イオン衝突型加速器であり、核物理学、素粒子物理学、宇宙物理学の分野で重要な役割を果たしている。

研究の核心は、STAR実験装置が捉えた数百万回に及ぶ陽子・陽子衝突のデータ解析にある。特に、ラムダハイペロンとその反粒子である反ラムダ粒子という短寿命の粒子対に着目した。これらの粒子は崩壊パターンから量子スピンの向き、すなわち磁気的特性を再構築できるため、真空との関連を探る上で理想的なプローブとなる。分析の結果、これらの粒子が衝突点で極めて近接して生成された場合、それらのスピンが完全に平行に整列しているという相関が確認された。このスピンの整列現象は、真空から生成される仮想的なストレンジクォークと反ストレンジクォークのペアが、理論上、常にスピンを平行に保つという性質を直接的に示唆している。

量子真空は、古典物理学における完全な空虚とは異なり、絶えずエネルギーが変動し、量子もつれ状態にある仮想粒子・反粒子ペアが短時間出現しては消滅を繰り返す活動的な構造体として現代物理学で理解されている。RHICでの衝突実験は、光速に近い速度での粒子衝突により真空のエネルギーを増大させ、一部の仮想ストレンジクォーク／反ストレンジクォーク対を、STAR検出器で観測可能な実粒子へと変換するエネルギーを提供する。

STARの共同リーダーでありBNLの物理学者であるDr. Zhoudunming (Kong) Tuは、この研究が量子真空への独自の視点を提供し、目に見える物質の形成理解における新時代を開く可能性があると述べている。この発見は、ストレンジクォークが単一の、分離不可能な真空由来のペアから生じたことの最初の直接的な実験的証拠と見なされている。University of New Hampshireの物理学者で共同リーダーのJan Vanek博士は、この現象を、近接生成時に親のストレンジクォークのスピンの整列を保持する「量子的な双子」に例えた。粒子が空間的に離れるとこの特異なスピンの整列現象が消失することも観測されており、これは環境との相互作用による量子もつれの喪失、すなわちデコヒーレンスを示唆している。

研究チームは、この新規手法を、将来BNLでRHICのインフラストラクチャを活用して建設が計画されている電子・イオン衝突型加速器（EIC）での重イオン衝突実験にも適用する予定である。Dr. TuはBNLのアソシエイト・フィジシストであり、ストーニーブルック大学の非常勤アソシエイト・プロフェッサーを兼任している。Dr. Vanekはニューハンプシャー大学で重要な役割を担っている。この実験的検証は、極限条件下での真空エネルギーと粒子生成メカニズムに関する長年の理論的予測を裏付けるものであり、基礎物理学の探求における新たなツールとしての価値が示されている。