素粒子物理学：CERNで観測されたつかみどころのない物質と反物質の非対称性
Nature
欧州原子核研究機構（CERN：Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire）の大型ハドロン衝突型加速器（Large Hadron Collider）に設置されたLHCb（Large Hadron Collider beauty）実験で、バリオン（baryon）クラスに属する崩壊する複合素粒子において、物質と反物質の非対称性が初めて観測された。荷電平価（CP：charge–parity）対称性の破れとして知られるこの効果は、理論的には予言されていたが、バリオンではこれまで観測されていなかった。今週のNature にオープンアクセスで掲載される、バリオンにおけるこの非対称性の破れの実験的検証は、観測可能な宇宙の物質のほとんどをバリオンが占めていることから重要である。
宇宙論モデルでは、物質と反物質はビッグバンで同量に作られたとされているが、現在の宇宙では物質が反物質を支配しているように見える。この不均衡は、物質と反物質の振る舞いの違い、すなわちCP対称性の破れによって引き起こされると考えられている。この効果は物理学の標準模型（Standard Model of physics）によって予言され、60年以上前に中間子（mesons）と呼ばれる素粒子で実験的に観測されたが、バリオンにおいては従来観測されていなかった。2つのクォークによって形成される中間子とは対照的に、バリオンは3つのクォーク（quarks）によって形成され、中性子や陽子など物質の大部分を構成する粒子はバリオンである。
LHCb実験のXueting Yangら（国立核物理学研究所ジェノバ支部〔イタリア〕）は、LHCでの陽子–陽子衝突から得られたデータを用いて、バリオン崩壊におけるCP対称性の破れを初めて観測した。CPの非対称性は、バリオン物質と反物質の振る舞いの違いを明らかにする。このような対称性の破れは予言されていたことであり、ビッグバンの物質と反物質の不均衡を解決するものではないが、この対称性の破れの詳細を実験的に発見することは、重要な手がかりを提供し、CPの破れの性質に関するさらなる理論的および実験的研究の機会を開くことになる。これらの発見は、標準模型を超える物理を探索する道を開く可能性がある、と著者らは結論づけている。
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- Published: 16 July 2025
LHCb Collaboration. Observation of charge–parity symmetry breaking in baryon decays. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09119-3
The first-known observations of matter–antimatter asymmetry in a decaying composite subatomic particle that belongs to the baryon class are reported from the LHCb experiment located at the Large Hadron Collider at CERN. This effect, known as charge–parity (CP) violation, has been theoretically predicted, but hitherto escaped observation in baryons. The experimental verification of this asymmetry violation in baryons, published in Nature this week, is important as baryons make up most of the matter in the observable Universe.
Cosmological models suggest that matter and antimatter were created in equal amounts at the Big Bang, but in the present-day Universe matter seems to dominate antimatter. This imbalance is thought to be driven by differences in the behaviour of matter and antimatter: a violation of symmetry known as CP violation. This effect has been predicted by the Standard Model of physics and observed experimentally in subatomic particles called mesons more than 60 years ago, but never previously observed in baryons. As opposed to mesons, which are formed by two quarks, baryons are formed by three quarks — particles that make up most of matter such as neutrons and protons are baryons.
Xueting Yang and colleagues of the LHCb experiment present the first observation of CP violation in baryon decays, using data collected from proton–proton collisions at the LHC. The CP asymmetry reveals a difference in behaviour between baryonic matter and antimatter. While such a violation was predicted and does not resolve the Big Bang matter–antimatter imbalance, finding out the details of this violation experimentally will offer important clues, opening up opportunities for further theoretical and experimental studies of the nature of CP violation. These findings potentially pave the way to search for physics beyond the Standard Model, the authors conclude.
doi: 10.1038/s41586-025-09119-3
「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。
