なぜ物質と反物質が「ひとつの波」になれるのか
別々の粒子なのに、なぜ一緒に波打てるのか。
じつは量子力学では、2つの粒子が力で束縛されると、その動きは自然に2つの成分に分かれます。
① ペア全体が空間をどう移動するか（重心の動き）
② 2つの粒子が互いのまわりをどう回り合っているか（内部の動き）
そして、外の世界──たとえばグラフェンの格子──に対して「波」として広がるのは、①の重心の動きだけです。
内部でぐるぐる回り合う②の運動は、回折のパターンには現れません。
二人三脚のレースを想像してみてください。
2人の走者がバラバラに走れば、それぞれの歩幅で進みます。
しかし足をしっかり結んだ瞬間、2人の体はひとつのランナーになり、歩幅もペースも合体した体で決まる。
8.1ミリに現れたピークは、まさに「2人が足を結んだ状態で走っている」証拠でした。
ちなみに、この原理自体はポジトロニウムに限った話ではありません。
水素のような普通のペア（陽子＋電子）でも同じく、束縛されたペアは全体としてひとつの波として振る舞います。
量子力学のごく基本的な法則で、物質と反物質の組み合わせだからといって例外にはなりません。
ただし、水素のように質量差が大きい系では、ポジトロニウムほど「2倍ずれる」という単純で見やすい判定にはなりません。
陽子は電子の1836倍も重いため、質量差が大きいからです。
ポジトロニウムは質量がぴったり1対1だからこそ、ピーク位置がちょうど2倍ずれ、決定的な判定ができたのです。
弱点だらけだからこそ、未来の物理を開く
ここで、ポジトロニウムという粒子が抱える「3つの弱点」を振り返ってみると、面白い構造が見えてきます。
先にも述べたようにポジトロニウムの最大の弱点は、なんといっても「すぐに消滅してしまう」ことです。
観測可能な時間はわずか10億分の142秒という点。
これは普通の実験はおよそ不可能に近いものです。
また電気的に中性なのも実験家泣かせです。
電子なら電場でぴゅっと加速できますが、ポジトロニウムは加速できない。
だからわざわざ負イオンにして加速してからレーザーで電子を剥がす、という三段がまえの離れ業が必要でした。
さらに、いざ回折を起こそうとしても信号がとんでもなく弱い。
今回の実験でポジトロニウムの回折効率は、同じ速度の電子と比べて約10分の1にとどまりました。
これも、長時間観測が必要になった大きな一因です。
──と、ここまで聞くと「ポジトロニウムは弱点だらけの困った粒子」に思えますが、少し角度を変えてみると、まったく違う風景が見えてきます。
じつは、これら3つの弱点はすべて、たったひとつの同じ性質から生まれているのです。
その性質とは、「電子と陽電子という、質量が等しく電荷が反対の粒子のペアであること」。
しかし──同時に、この同じ性質が、他の粒子では得にくい強みも生み出しています。
質量が等しいからこそ、「ひとつの波」と「バラバラの波」のピーク位置がちょうど2倍ずれ、白黒はっきりつけられた。
質量比が極端な水素では、同じ実験では絶対に区別がつきません。
電荷が反対だからこそ、全体が中性になり、電場や磁場に荷電粒子ほど大きくは乱されにくい。
これは荷電粒子ビームにはない強みで、絶縁体や磁性体の表面解析という独自の応用領域を切り拓く可能性があります。
そして電気的に中性であることは「反物質の重力測定」への扉まで開いていきます。
永田准教授は「この画期的な実験成果は、基礎物理学における大きな進歩を示すものです。ポジトロニウムが束縛されたレプトン・反レプトン系として波動性を示すことを実証しただけでなく、ポジトロニウムを用いた精密測定への道も開くものです」と述べています。
今回得られた「波」を道具にすれば、電子や陽電子のような軽いレプトン系で、これまで直接測れていない重力測定に手が届く可能性も開けてきます。
──たとえば、ポジトロニウムのような軽いレプトン系は、地球の重力でどう動くのか？という問いもそうです。
過去に行われた研究では反水素が地球の重力で下向きに振る舞うことはすでに観測されています。
しかし電子や陽電子が合わさったポジトロニウムのようなレプトン系では、まだ直接測定が実現していません。
電子や陽電子のような軽い粒子では、電磁力が圧倒的に強すぎて、重力の効果がまったく見えないからです。
しかしポジトロニウムは電気的に中性です。
電磁力に乱されにくいため、重力の微弱な効果をすくい取れる可能性があります。
そして、この干渉計を作るための大前提──「ポジトロニウムが本当に波として干渉できるのか」──が、今回の実験でついにクリアされました。
干渉が確認できなければ干渉計は組めません。
逆に言えば、干渉が確認された今、干渉計の建設は実現可能性のあるエンジニアリング課題に近づいたということです。
ポジトロニウムのような軽い反物質を含む系で、重力がどのように現れるのか。
SF的にも、物理学の根幹にも関わるこの問いに、ポジトロニウムが答えを出してくれるかもしれません。
量子力学が生まれて、ちょうど100年。
物理学者たちは、電子、中性子、原子、分子、フラーレン、陽電子単独──ありとあらゆる粒子が「波でもある」ことを、ひとつずつ確かめてきました。
そして2025年、ポジトロニウムで残っていた重要な空欄が埋まりました。
物質と反物質が手を取り合い、ほんの一瞬だけ踊るはかないペア──それもまた、確かに「波」だった。
しかも2つの別々の波としてではなく、ひとつの波として一緒に揺れていた。
出会えば消えるはずの2つが、消える間際まで「ひとつ」として振る舞っていた。
100年前、誰も波だと思っていなかった電子に波の性質が見つかり、世界が変わりました。
もしかしたら未来の世界では、誰も波として観測できなかった「消えるペア」が、新しい物理の地平を見せてくれているかもしれません。
参考文献
電子と陽電子からなる中性粒子、ポジトロニウムの回折現象を世界で初めて観測～ポジトロニウム量子干渉実験の第一歩～
https://www.tus.ac.jp/today/archive/20260108_5801.html
元論文
Observation of positronium diffraction
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67920-0
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部
