水イオンを1個ずつ：極低温では水素が重水素に勝つ

星と星のあいだにある、温度が数ケルビン（絶対零度より数度高いだけ）まで下がることもある雲の中では、化学は主に、電荷をもつ分子と中性の分子のあいだの反応によって進む。こうした反応は、多くの場合、始まるのにエネルギーを必要としない。その主役の一つが水の陽イオン（正の電荷を帯びた水分子）H₂O⁺で、星間ガスの中で水ができるまでの道のりの中間体である。これがHD――2個の原子のうち1個が水素の重い形である重水素になっている水素分子――に出会うと、どちらの原子も奪うことができる。

• Hを奪って**H₃O⁺**になり、Dを放出する。
• Dを奪って**H₂DO⁺**になり、Hを放出する。

どちらの道をたどるかは、宇宙の分子のあいだで重水素がどう分配されるか、つまり重水素の「分別」を左右する。これまでの実験から、この釣り合いは衝突エネルギー、つまりその場の温度に強く依存することがわかっていた。

実験は350ケルビンで止まっていた

これまでの測定がカバーしていたのは、0.03〜10電子ボルトの衝突エネルギーだった。最も低い0.03 eVは、約350ケルビンの気体における典型的な衝突エネルギーで、冷たい分子雲より何桁も温かい。著者たちは、低温側へ外挿するのは危険だと主張する。低温では、トンネル効果のような量子効果が決定的になりうるからだ。彼らの知る限り唯一の低温での値は、57%対43%でH₃O⁺が優勢というもので、13ケルビンまで到達できるトラップで得られたが、その測定の正確な温度は報告されていなかった。

1個のイオンと1個の相棒

バーゼル大学のNanditha Sunil Kumar、Prerna Paliwal、Stefan Willitschと同僚たちは、中国・西安の西北大学のAnyang Li、米国ニューメキシコ大学のHua Guoらとともに、この反応を分子1個ずつ観察する方法をつくり上げた。

彼らの高周波イオントラップは、2重の冷たい放射シールドの内側、約4 × 10⁻¹⁴ミリバールの真空中で、5.4ケルビンに保たれている。各サイクルは、数十個のカルシウムイオンから始まる。これをレーザーで冷やすと、クーロン結晶と呼ばれる秩序立った配列に凍りつく。次にレーザーパルスで、水蒸気のビームから分子を1個だけ、結晶の中の1個のH₂O⁺イオンに変える。カルシウムイオンはレーザーを受けて光るが、水イオンは光らないので、暗い点として現れる。冷たいカルシウムイオンと相互作用するだけで、このイオンは1000分の数ケルビンまで冷える。続いてチームはカルシウムイオンを追い出していき、カルシウムイオン1個と水イオン1個のペアだけを残す。

装置（左）、1個のカルシウムイオンと暗い水イオンにまで小さくしたカルシウム結晶（中央）、そして反応の瞬間：カルシウムイオンの揺れが止まる（右）。— Figure 1, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

純度約97%のHDガスが少しずつ導入される。分子はイオンに届くまでに、冷たい壁に何度もぶつかって貼りつき、やがて壁と同じ5.4ケルビンに落ち着く。衝突エネルギーはほぼすべてHD分子自身の運動から来ており、イオンが加える分はごくわずかだ。平均すると0.6ミリ電子ボルト（電子ボルトは個々の粒子のエネルギーを表す単位）で、これは上で述べた350ケルビンと同じ尺度で約7ケルビンにあたる。

触れずに生成物の重さを量る

どの生成物ができたのかは、どうすればわかるのか。質量で見分けるのだ。イオンのペアはトラップに沿って振動しており、その周波数は暗いイオンの質量によって決まる。H₂O⁺なら531.9キロヘルツ、H₃O⁺なら529.2、H₂DO⁺なら526.4である。チームはペアを531.9 kHzで揺さぶる。するとカルシウムイオンの像がぼやける。水イオンが反応すると質量が変わり、揺さぶりが効かなくなって像がくっきりする。残る2つの周波数を試せば、生成物がわかる。

反応はたいてい、約100秒後に起こる。真空中に残っている水素もイオンをH₃O⁺に変えることがあるが、それには平均で約4.5時間かかるので、数にはほとんど影響しない。

271対170

16日間で、チームは441回の反応を記録した。H₃O⁺が271回、H₂DO⁺が170回である。ガスの約3%は通常の水素H₂で、これはH₃O⁺しか生まないので、その予想される寄与を差し引いた。結果は1.50 ± 0.15という比になった。H₃O⁺がおよそ60%、H₂DO⁺が40%ということだ。低温でも水素の移動が勝つ。より高いエネルギーで見られていたのと同じだが、一部のエネルギーでの偏りほど強くはない。

左：16日間の各日に数えた生成物と、日ごとの比。右：衝突エネルギーに対する比。新しい測定値（青い四角）は、これまでの実験（灰色）よりはるかに低いエネルギーに位置し、新しいシミュレーション（赤い三角）のすぐそばにある。— Figure 2, Sunil Kumar et al. (2026), arXiv:2610.32904.

くぼみに捕まる

結果を解釈するために、チームは衝突のコンピューターシミュレーションを行った。0.9ミリ電子ボルトから0.9電子ボルトまでの各衝突エネルギーで、2万回の衝突（軌跡）をシミュレーションした。予測される比はエネルギーとともに上がり、40〜80ミリ電子ボルト付近でピークに達したのち、下がっていく。

2つのメカニズムが競い合っている。高エネルギーでは、反応は直接的で、相手同士がとどまり合うことなく、1回のすばやい通過で原子が奪い取られる。低エネルギーでは、ほとんどの衝突が、反応する前にエネルギー地形のくぼみに――互いの引力によって、くぼみの中のビー玉のように引き留められて――しばらく捕まる。そこでは衝突のエネルギーが一時的な複合体の振動へと広がり、水素への偏りは薄れていく。複合体が長く生きるほど、偏りは弱くなる。約10ケルビンでのシミュレーションでは、捕まった衝突のうち、滞在が最も短いものでは比が1.35だったのに対し、最も長いものでは1.21に下がる。

残された差

シミュレーションは0.9ミリ電子ボルト（約10ケルビン）で1.15を与え、実験は1.50を与える。著者たちはこれを定性的な一致と呼んでいる。この差は、水素のトンネル効果のように、シミュレーションが考慮していない量子効果から来るのかもしれないし、計算されたエネルギー地形の誤差から来るのかもしれない。ガスそのものに原因がある可能性もある。約10ケルビンより低い温度では、H₂とHDとで、壁や、迷い込んだガスを吸い取るための活性炭への貼りつき方が違うかもしれない。活性炭のこの温度での振る舞いはわかっていない。著者たちによれば、想定した3%より多くのH₂がイオンに届いているなら、測定された1.50という比は過大評価である可能性がある。