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宇宙誕生の謎、有力仮説覆す 京大理学部20人卒業研究

科学

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加速器を使った実験に取り組む学生たち=川畑貴裕・京都大准教授提供

 京都大理学部の4年生ら約20人が卒業研究として取り組んだ物理実験の結果に、注目が集まっている。宇宙の始まりとされる「ビッグバン」の理論に残る大きな課題、「宇宙リチウム問題」に一石を投じる成果を上げたのだ。有力とされてきた仮説を否定するもので、論文が3日、米国の物理学会誌に掲載された。
 ビッグバン理論では、大爆発の直後、水素やヘリウムといった元素とともに、同じように軽いリチウムも生まれたとされる。だが、星の観測などから判明したリチウムの量は、理論上はじき出された量の3分の1。宇宙の謎の一つとなっている。

 注目されてきたのが、元素周期表で3番のリチウムの隣にある4番のベリリウムの性質。ベリリウム7は電子が一つ合体するとリチウムに変わる。理論の推定よりもリチウム以外の元素に変わる確率が高いから、実際のリチウムの量が理論の3分の1しかないのではないか。そんな仮説が有力視されてきた。

 だが、仮説を確かめる実験は難しく、証明されていなかった。特に「ベリリウム7と中性子がぶつかってヘリウム4が二つ生まれる反応」は難しく、ヘリウムに変わる確率を精密に調べられずにいた。

 ここに目を付けた川畑貴裕准教授ら実験グループは、不安定で扱いにくいベリリウムでも、精密なデータを得られる実験手法を考え出した。「学生に本格的な研究経験を積ませたい」と、最初にこの実験に挑ませたのは2014年度の4年生たち。すぐに成果が出ず、3代にわたり4年生が実験器具を改良するなどして挑戦を続け、今年度、ようやくきれいなデータを得ることができた。

 その結果わかったのは、ベリリウムがヘリウムに変わる確率は高くないこと。4年生らは「仮説ではリチウムの不足を説明できない」と結論づけた。

 「謎は一層深まった。宇宙リチウム問題については、他の仮説を検討しなければならないだろう」と川畑准教授は話す。しかし、有力な仮説を否定する実験結果を得たことは、学会では大きな成果だとみなされた。今月になって、世界で最も権威ある物理雑誌の一つ、「フィジカル・レビュー・レターズ」に論文が掲載された。

 川畑准教授は「卒業研究でこんな結果を出せることはめったにない」と称(たた)える。実験に参加した越川亜美さん(23)は「実験中は設計した器具が壊れないかと、はらはらしていた。すごいことを成し遂げた実感が出てきたのは最近のことです。貴重な経験ができました」と話した。(波多野陽)

2017年2月14日08時37分    朝日新聞デジタル