真空では「考えられないこと」が当たり前のように起きている…量子色力学から見た「トリッキーすぎる世界」

138億年前、点にも満たない極小のエネルギーの塊からこの宇宙は誕生した。そこから物質、地球、生命が生まれ、私たちの存在に至る。しかし、ふと冷静になって考えると、誰も見たことがない「宇宙の起源」をどのように解明するというのか、という疑問がわかないだろうか？

本連載では、第一線の研究者たちが基礎から最先端までを徹底的に解説した『宇宙と物質の起源』より、宇宙の大いなる謎解きにご案内しよう。

*本記事は、高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所・編『宇宙と物質の起源「見えない世界」を理解する』(ブルーバックス)を抜粋・再編集したものです。

クォークに働く強い力。その基礎理論は「量子色力学」と呼ばれています。

量子色力学は、電磁気力の理論と非常に似たものですが、電荷に相当する「色荷」が3種類(3色)あるところが、大きく異なります。そのために電磁気力を伝える光子に相当するグルーオンはそれ自身が色荷をもち、強い力を伝える役割を担うだけでなく、クォークと同じように、それ自身が力の源にもなるのです。すると、どうなるでしょう。

クォークには強い力が働きます。力を伝達するグルーオンにもやはり強い力が働き、その力を伝達する別のグルーオンにも……、という具合に力が雪だるま式に増えていきます。

つまり、遠くで働く力は、やがて無限に強くなります。これこそが、強い力が「強い」理由で、クォークが単独で存在できない理由でもあります。ただし、「無限に」強い力というのはあり得ません。そこでは何かおかしなことが起こっているはずです。

雪だるま式に力が強くなる量子色力学では、通常では考えられないことが起こります。強くなった力の影響を受けるのは、クォークだけではありません。普通は何もないと考えられる真空も大きな影響を受けるのです。どういうことでしょう。

ミクロの世界の基本原理である量子論では、粒子などが存在しない真空から粒子と反粒子の対生成が起こってもよい、ということがわかります。エネルギー保存の法則を破るから駄目だと思われるかもしれませんが、ごく短い時間のうちに対消滅により再び消えてしまえば、量子力学の不確定性関係の許す範囲内で可能なのです。

こうして真空からいつの間にか対生成で生まれたクォークは、やはり色荷をもっているので、例によって雪だるま式に強い力が働き、力を伝える役割のグルーオンを次々と生み出します。再び対消滅するまでの間に、こうしたややこしいことが起こっているのです。

何もないと思っていた真空では、クォークの対生成・対消滅に引き続いてグルーオンが次々と湧き出ては消えるのを繰り返している。真空にはクォークと反クォーク、それにグルーオンが埋まっている、と言ってもよいのです。