最も単純な原子核の検証
重陽子は現存する最も単純な原子核である。陽子1個と中性子1個が強い核力で結合している。この単純さこそが物理学者にとって貴重な理由である。2粒子のみの系では、理論予測は異常に高い精度で行うことができ、予測からの逸脱があれば、何か新しいものの明確なシグナルとなる。
新たな実験結果
JEDIコラボレーション（Jülich Electric Dipole moment Investigations）がドイツ・ユーリッヒ研究センターのCOSY蓄積リングで行った新たな測定により、重陽子が永続的な電気双極子モーメント（EDM）、すなわち原子核内の正電荷と負電荷の分離、を持つかどうかについて、初の直接実験的制限が設定された。このような分離は基本対称性の破れを示すことになる。その結果は『Physical Review Letters』に掲載され、95％信頼度で|d^d| < 2.5 × 10^(-17) e·cmの上限値を設定している。
非対称性は見つからなかった。しかし、この探索自体が物理学における最も深遠な謎の一つ、なぜ宇宙には無ではなく何かが存在するのか、を説明するための重要な一歩である。
電荷と対称性
永続的な電気双極子モーメントとは、粒子内での正電荷と負電荷の分離であり、微視的な電池のように粒子に明確な「プラス端」と「マイナス端」を与える。基本粒子や単純な原子核では、このような分離はパリティ（P）対称性、左右の等価性、と時間反転（T）対称性、時間の前後の等価性、の両方を破ることになる。CPT定理により、これはCP対称性（電荷共役とパリティの組み合わせ）の破れも意味する。
素粒子物理学の標準模型は、重陽子のEDMが極めて小さい、10^(-32) e·cm程度で、あらゆる実験の及ばない範囲、と予測している。したがって、測定可能なEDMは「新しい物理」、標準模型を超え、CP対称性の破れの追加的な源を導入する粒子や力、の証拠となる。
CP対称性の破れがなぜ重要か。ビッグバンが物質と反物質の非対称な生成を説明するための3つの条件（サハロフ条件）の一つは、物理法則がCP対称性を破らなければならないというものである。標準模型にはいくつかのCP対称性の破れ（クォーク混合におけるCKM行列による）が含まれているが、観測された物質と反物質の非対称性を説明するには十分ではない。新たなCP対称性の破れの源を見つけることは、そのギャップを埋める助けとなる。
重陽子は特にクリーンなプローブである。その2体系構造により、理論家は量子色力学とカイラル有効場理論からEDMを高精度で計算できる。重陽子の測定は、中性子や原子のEDM探索が調べる組み合わせとは異なる、特定のCP対称性破れパラメータの組み合わせ、等ベクトル中間子-核子結合やクォークのクロモEDMを含む、を制約する。
蓄積リング技術
JEDI実験は従来のEDM探索とは根本的に異なる方法を用いている。中性粒子（中性子）や原子を電場に閉じ込める代わりに、研究チームは偏極重陽子、スピンが既知の方向に揃った重陽子、をCOSY磁気蓄積リング内で循環させた。
磁気蓄積リングでは、重陽子のスピンは磁場の周りを歳差運動する。重陽子がEDMを持つ場合、そのEDMは重陽子がリングの磁場中を相対論的に運動する際に自身の静止系で経験する運動電場と相互作用する。これにより、スピン軸が水平面からわずかに傾く、EDMの大きさに比例した傾きである。
チームは高周波ウィーンフィルターを使用してスピンを操作し、不変スピン軸（ISA）、スピンが歳差運動する軸、を探査した。超伝導シベリアンスネーク（螺旋磁気装置）がスピン方向を制御し、電子冷却ソレノイドがビーム偏極を維持し系統的効果を抑制した。偏光計は最終スピン偏極の垂直成分を測定した。
測定された傾きは数ミリラジアンであり、EDMシグナルではなく系統的効果、磁場の不完全性、アライメント誤差、によって支配されていた。これによりチームは2.5 × 10^(-17) e·cmの上限を設定することができた。
その意味
この制限は、中性系からの最良のEDM制約、中性子（約1.8 × 10^(-26) e·cm）や水銀原子（約7 × 10^(-30) e·cm）、にはまだ及ばないが、荷電ハドロンに対して行われた初の直接測定である。これは中性子や原子のEDMとは異なるCP対称性破れパラメータの線形結合に感度を持つため、直交する制約を提供する。例えば、小さな中性子EDMと大きな重陽子EDMを予測する理論は、この測定から逃れることはできない。
標準模型の多くの拡張、超対称性、左対称モデル、マルチヒッグス模型、は、重陽子EDMが10^(-24)から10^(-28) e·cmの範囲にあると予測している。現在の制限はこれらをまだ排除していないが、実験方法論を確立し、将来のより高感度な探索に向けて蓄積リング技術を検証した。
次のステップは、CERNとユーリッヒで議論されている専用の蓄積リングEDM施設で、陽子、重陽子、ヘリウム3原子核に対して10^(-24)から10^(-29) e·cmの目標感度を持つ。その感度では、この探索はTeVスケールのエネルギー範囲でのCP対称性の破れを直接探査することになり、LHCの衝突器による新しい物理の探索を補完する。
「重陽子は最も単純な複合核です」とSteven Hoekstra氏は結果に付随する『Nature』News & Views記事で述べている。「今回の測定は、専用施設があれば、宇宙の物質-反物質非対称性を説明するために必要なCP対称性の破れを探査する感度に到達できる技術の原理実証です。」
雅子 訳
出典：
Andres A, et al. (JEDI Collaboration). 「First Experimental Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of the Deuteron.」 Physical Review Letters, Vol. 136, 241801 (2026). DOI: 10.1103/ns3s-ld4k
[Nature News & Views] Hoekstra S. 「Electric fields probe the symmetry of the ‘heavy hydrogen’ nucleus.」 Nature, June 2026. https://www.nature.com/articles/d41586-026-02036-z