計算機からCP対称性の謎に迫る

質問1研究について教えてください。

CP対称性の破れとEDM。原子では、電荷分布の偏りによってEDMが発生する場合があり、このEDMについてCP対称性が破れていると予測されている。例えば、図下左端の電荷分布をパリティ変換すると、図の右端のように電荷分布が反転するため、EDMも逆向きになる。「パリティ対称性が保たれている」のはこの二つの状態が等価であることなので、そのためにはEDMは0でなければならない。よって、このEDMがある（0でない）と証明できれば、パリティ（P）対称性が保たれていないといえる。一方、時間反転を行うと電荷分布は反転しないが、中央の図のように原子のスピンの向きが反転する。次に、スピンの向きを元に戻すため上下に180度回転させると、代わりに右端の図のようにEDMが逆向きになる。よって、もしEDMが測定されると、時間反転対称性も破れているといえる。また、時間反転対称性はCP対称性と等価であることがわかっているので、CP対称性も破れていることになる。このように原子のEDM（原子EDM）の存在を示すことができれば、CP対称性が破れていることの根拠となる。

原子核中の核力によってCP対称性が破られ、シッフモーメントが生じます。このシッフモーメントと電子が相互作用をすることで「原子EDM」が生じるため、この値を測定することでCP対称性の効果を詳しく調べることができます。しかし、この原子核EDMの測定は困難であるため、よりシッフモーメントが大きい原子核を探す必要があります。
私が行っているのは、大きいシッフモーメントをもつといわれている洋ナシのような形に変形した原子核を計算機の中に再現し、そのシッフモーメントの値を計算することです。原子核を再現するとは、原子核の状態を表す波動関数^*4をつくることです。これには10億通りを超える配位を重ね合わせる必要があり、扱いが非常に難しいため、私はその中から重要な配位を100個ほど選び出す作業を慎重に行っています。とはいっても依然として計算量は非常に膨大であるため、研究にはスーパーコンピュータが必要不可欠です。

質問4中高生の自分にアドバイスするとしたら何を伝えますか？

柳瀬：「もっと勉強しろ」ですね（即答）。でもこれは、授業の内容や高校範囲の参考書をもっと勉強するというよりは、教科書の範囲の外にある活動やイベントにもっと参加してほしい、という意味合いが強いです。この記事を読んでいる中学生・高校生の皆さんも、例えばさまざまな研究所のホームページを見たり、物理オリンピックなどのイベントにチャレンジしてみたりなど、学校の外側にぜひ視野を広げてみてください。

注釈

*1シッフモーメント　原子EDM^*3と同じように、原子核も内部にある陽子が持つ電荷が偏ることでEDMをもつ。ただし、原子核EDMは原子中の電子によってその一部は遮蔽される。その結果、原子の内部では原子核EDMではなく原子核シッフモーメントが測定される。

*2CP対称性の破れ　 Cは荷電共役変換、Pはパリティ変換（空間反転、いわゆる鏡像）の意味。「宇宙において物質が反物質よりはるかに多い」という非対称性を説明するにはCP対称性の破れが必要条件とされている。強い相互作用と電磁相互作用はCP変換の元で不変であると考えられているが、原子核の崩壊に関わる弱い相互作用ではこの対称性がわずかに破れている。

*3EDM（電気双極子モーメント；Electric Dipole Moment）　原子における電子系の電荷分布の偏りを表すベクトル量。

*4波動関数　量子力学において粒子の状態を記述する関数。絶対値がその存在確率として解釈される。さまざまな固有状態の重ね合わせとして表現されることが多い。