光速、つまり秒速2億9979万2458メートルを超える速度で移動できるものは存在しない。しかし、ある粒子群はあたかも光速で移動できるかのように振る舞う、と物理学者チームが最近結論づけた。この発見は、新たな科学の謎を解き明かす可能性のある強力な光源への道を開く可能性がある。
電子が励起され、押し出されると、様々なエネルギーの光が発生します。この光は、肉眼や一般的な顕微鏡の限界をはるかに超える現象を研究するために利用できます。科学者たちは、電子を機械で生成・制御し、高エネルギーの光を発生させる方法を習得しました。シンクロトロンやサイクロトロンから線形加速器に至るまで、これらの光源は、科学者が分子構造のような非常に小さなものを観察することを可能にします。この技術から得られた知見は、新薬の開発、より高性能なコンピューターチップの開発、そして化石の非破壊研究を可能にしました。電子から放出される波は、文字通り、そうでなければ目に見えないものに光を当てます。
しかし、こうした光源は一般的ではありません。建設費が高く、広大な土地を必要とし、科学者が何ヶ月も先まで予約で埋まってしまうこともあります。現在、物理学者のチームは、準粒子（あたかも一つの粒子のように振る舞う電子の集団）を、小規模な研究室や産業界の光源として利用できると提唱しています。これにより、科学者はどこにいてもより容易に発見を成し遂げることができるようになります。この研究成果をまとめた研究チームは、本日Nature Photonics誌に掲載されました。
「個々の粒子は光速を超えて移動することはできませんが、粒子の集合体の特徴は光速を超えて移動できますし、実際にそうしています」と、ロチェスター大学レーザーエネルギー研究所の物理学者で、今回の研究の共著者であるジョン・パラストロ氏は、ギズモードとのビデオ通話で述べた。「これは物理法則やルールに違反するものではありません。」
「電子ビームに関する要件を緩和し、この非常にコヒーレントな放射線を生成するにはすべての電子が同期して運動しなければならないという考えから脱却することで、これらの放射線源は本当に民主化され、より広く利用できるようになると思います」とパラストロ氏は付け加えた。
研究チームは論文の中で、プラズマ加速器ベースの光源を、準粒子に対するコヒーレンスを高めることで、より大型の自由電子レーザーと同等の輝度にできる可能性を探求している。ロチェスター大学の発表によると、研究チームは欧州高性能計算共同事業体（EuroHPC JU）が提供するスーパーコンピュータを用いて、プラズマ中の準粒子の特性に関するシミュレーションを実行した。
大型線形加速器は、地球上で最も強力な光源の一つです。SLAC国立加速器研究所の線形コヒーレント光源（LCLS-II）は、10億ドルをかけてアップグレードされ、先月ファーストライトを達成しました。LCLS-IIは、従来のLCLSの毎秒わずか120パルスから、毎秒100万パルスのX線パルスを生成できます。新しいX線パルスはLCLSの1万倍の明るさを誇り、植物細胞内の分子から物質の相変化に至るまで、これまで観測できなかった現象を科学者が観察できるようになります。これらのX線はすべて、大型磁石を用いて高速で移動する電子群を意図的に揺らす（または「波打たせる」）ことで生成されます。LCLS-IIのような線形加速器の仕組みに関する詳細な説明は、こちらをご覧ください。
線形加速器では、「すべての電子が集団として同じことをしている」と、ポルトガルの高等工科大学（Instituto Superior Técnico）の物理学者で、この研究の筆頭著者であるベルナルド・マラカ氏は、ギズモードとのビデオ通話で述べた。「私たちのケースでは波打つ電子は存在しないが、それでもアンジュレーターのようなスペクトルを作り出している」
研究者たちは、準粒子をメキシカンウェーブに例えています。メキシカンウェーブとは、スポーツファンが次々と立ち上がったり座ったりする集団行動です。満員の観客でスタジアムが埋め尽くされると、まるで会場全体に波が広がっているかのような錯覚が生じますが、実際には誰も横方向に動いていません。
「聴衆が協力すれば、原理的には波動がどんな人間よりも速く移動できることは明らかです。準粒子も非常に似ていますが、そのダイナミクスはより極端になる可能性があります」と、論文の共著者で、同じく高等工科大学の物理学者であるホルヘ・ヴィエイラ氏は、ギズモードへのメールで述べています。「例えば、単一粒子は光速を超えることはできませんが、準粒子は超光速を含むあらゆる速度で移動できます。」
「準粒子は集団的行動の結果であるため、その加速には限界がありません」とヴィエイラ氏は付け加えた。「原理的には、この加速は例えばブラックホールの近傍と同じくらい強くなる可能性があります。」
明確に言えば、準粒子を構成する電子束は光速を超えて移動しているわけではない。しかし、準粒子自体よりも波長が長い場合、準粒子は実質的に光速を超えて移動できると研究者らは述べている。
光速を超える移動に関して、知覚的に起こっていることと実際に起こっていることの違いは「不必要な区別」だとマラカ氏は述べた。「光速を超える物体は実際に存在しますが、それは個々の粒子ではなく、波や電流の分布です。それらは光速を超え、実際に光速に近い効果を生み出す可能性があります。つまり、超光速粒子としか関連付けられないものを測定しているのです。」
研究チームは、電子ビームの集合的な品質は大型施設で生成されるビームほど純粋である必要はなく、より「卓上」の環境で実用的に実現できることを発見したとパラストロ氏は述べた。つまり、科学者は需要の高い線形加速器の空きを待つことなく、現場で非常に明るい光源を用いた実験を行うことができるのだ。
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