光が物質に変換できることを証明する方法

1934年、2人のアメリカ人物理学者が、2つの光子を衝突させると、2つの陽電子-電子対が生成され、光が物質に変換されるという理論を立てました。実験室で証明されれば、このプロセスは、物体の質量はその物体に蓄えられたエネルギーの尺度でもあるとするアインシュタインの相対性理論、 E=mc2の純粋な実証となります。ニューヨーク大学の物理学者、グレゴリー・ブライトとジョン・A・ウィーラーの2人がこの仮説を考案した当時は、それを実証する科学的ツールがなかったため、技術が追いつくまで、2人に残されたのは理論だけでした。この理論は、後にブライト・ウィーラー過程として知られる非常に説得力のある理論でした。

それからちょうど80年後、ついにその時が来た。インペリアル・カレッジ・ロンドンの理論物理学者たちが、まったくの偶然で、ブライトとウィーラーの理論を実証する方法を偶然発見したのだ。今月ネイチャー・フォトニクス誌に発表された論文で、チームは核融合エネルギーに関する問題を研究しているときに、高エネルギーレーザーをホーラウム（レーザー放射を吸収し、対称的にX線として再放射する小さな金の容器）に照射することで、科学者が「光子-光子衝突型加速器」を作り、高エネルギー光子から物質粒子をうまく回転させることができることに気づいたと述べている。

この理論は1年以内に実証される可能性がある。

この実験を考案した人々は理論物理学のみを専門としており、実際の手順には大規模な実験チームが必要となるため、パイクのチームは現在、実験をきちんとやり遂げるために他の研究者を集めている最中だ。パイクは、実験に必要な設備（短パルスレーザー機能と、大量のX線を生成するための空洞または他のメカニズム）を備えた、世界でわずか10か所ほどしかない実験施設のうちの1つをチームがいかに早く確保できるかによって、実験は「1年以内」に完了する可能性があると述べている。このプロセスには、正式な査読済み提案書が必要であり、施設の委員会が、その徹底したプレゼンテーション、人員の専門知識、科学に対する最終的な重要性に基づいてゴーサインを出さなければならない。最後の点については、おそらく問題ないだろう。この実験が成功すれば、ガンマ線バーストと宇宙形成の最初の数分を理解するために極めて重要なプロセスを、最も純粋な形で実現することになるからだ。

「ブライト・ウィーラー過程は、それを観察するために必要な光粒子の数が非常に多いため、非常に捉えにくいものでした」と主任研究者のオリバー・パイク氏はポピュラーサイエンス誌に語っています。「2つの高エネルギー光線を使用して2つの光子を衝突させる試みは、現在まで成功していません。なぜなら、この過程を検出するのに必要なエネルギーの高密度で狭い光線を生成するのが非常に難しいからです。私たちのアプローチは異なりました。レーザー加熱空洞は数十年前から使用されており、高強度レーザーは、約10年前から、光線を生成するのに必要な非常に高いエネルギーまで電子を加速することができました。これまで、空洞を基礎物理学の研究ツールとして使うことを考えた人はいなかったと思います。」

光が物質に変換されるのは今回が初めてではない。1997年、スタンフォード大学の線形加速器は、高出力電子ビームと電界の助けを借りて多数の光子が相互作用し、光子を衝突させて物質粒子を生成するのに必要なエネルギーを供給するという別のプロセスを採用した。対照的に、インペリアル・カレッジ・ロンドンのチームの実験では、衝突する2つの光子自体のエネルギーを使用する。光が完全な真空中で物質に変換されるのはこれが初めてであり、そのためプロセスの観察がはるかに容易になる。

「光子-光子衝突装置を作るというアイデアは、物理学者たちが長い間関心を寄せてきたものです」とパイク氏は言う。「光子衝突ではさまざまな粒子が生成される可能性があるため、このような衝突装置は、非常に明確な実験アプローチで基礎物理学を研究するために使用できる可能性があります。[この装置は] 電子と陽電子が同数生成されるため、PET スキャンなどで役立つ反物質源として使用できますが、これよりもはるかに簡単で効率的な反物質生成方法があります。[このプロセスの] 応用は将来的に生まれるかもしれませんが、現時点では、この実験の主な魅力は間違いなく学術的なものであり、非常に単純なプロセスを初めて観察することです。」

現代の技術により、ようやくブライト・ウィーラー過程を初めて実行することが可能になったが、パイク氏は、その可能性はまだ表面をなぞったに過ぎないと言う。レーザーが時間とともに強力になるにつれ、科学者は陽電子と電子のペアだけでなく、より多くの異なる粒子を生成できるようになるだろう。パイク氏は、最初の発見は偶然ではあったが、最終的には避けられない科学的進歩だったと言う。

「このプロセスは、理論的にはその有効性にまったく疑問の余地がないという点で、少し奇妙です」と彼は言います。「ただ、過去にはそれを検出する方法がなかったのですが、電子と陽電子が消滅して2つの光子になるなど、密接に関連するプロセスは数十年前に観測されていました。私たちがこの研究を発表していなかったとしても、将来のある時点で誰かがそれを観察しようと努力したに違いありません。」