光は光に跳ね返されるのか？

2本の懐中電灯の光が交差するように照らしてみよう。どちらの光も、もう一方がないかのように進み続ける。これが光学の核心にある重ね合わせの原理だ。電磁気学の方程式が線形であるために成り立ち、日常の経験とも一致する。

1930年代のオイラー、ハイゼンベルク、コッケルの研究以来、物理学者はこの原理が完全には正確でないことを知っている。量子物理学は、真空をつかの間のゆらぎで満たす。量子電磁力学では、それは電子と陽電子の仮想的な対だ。これを介して、光は光を感じることができる。そこから2つの帰結が生じる。一方の光線が他方の光子をそらす光による光の散乱（light-by-light scattering）と、強い場を通る光の偏光を真空が変える真空の複屈折だ。どちらも、光子が電子の質量よりはるかに小さなエネルギーしか持たない低エネルギー領域では、まだ実験で検証されていない。

強力なレーザーに向けたX線

約80人の研究者からなるBIREF@HIBEF共同研究グループ（イェーナのヘルムホルツ研究所やヘルムホルツ・ドレスデン・ロッセンドルフ研究センターのチームを含む）は、ドイツ・シェーネフェルトの欧州X線自由電子レーザーで、次のような衝突を用意した。

• ポンプ：ReLaXレーザー。4ジュールを運ぶ23フェムト秒の近赤外パルスで、約1.1×1.4マイクロメートルの点に集光され、7.7 × 10²¹ワット毎平方センチメートルに達する。
• プローブ：8.766 keVのX線パルス。1パルスあたり約1,000億個の光子を含み、ポンプに正面から撃ち込まれる。

ポンプの強い場は真空をわずかに分極させ、いくつかのX線光子は偏光が反転した状態で出てくるはずだ。理想的な条件でも、それは約10¹³個に1個にすぎない。しかもその光子は、ほかの1,000億個と同じ方向に進む。

暗視野のセットアップ。ワイヤーがX線ビームの中に影を落とし、衝突で生じた量子真空の信号が開口を通り抜け、ビームスプリッターがその2つの偏光を分ける。— 図1、Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

影の中にビームを隠す

秘訣は暗視野だ。厚さ250マイクロメートルの研磨したタングステンワイヤーを、集光される前のX線ビームの中に置く。ワイヤーは影を落とす。焦点では影が消え、その後ろでまた影が現れる。だが、衝突で生まれた信号はその影の中へ広がっていく。次に、40マイクロメートルの開口が主ビームを遮って影の領域を通し、ゲルマニウム結晶が2つの偏光を分けて、光子を数える2台の検出器へ送る。偏光が反転したチャンネルに漏れ込んだ主ビームのX線光子は、わずか1兆個に約4個だった。

ポンプは0.5ヘルツ、プローブは10ヘルツで発射されるので、1回の衝突ごとに、ポンプなしの参照ショットが19回ついてくる。2,751回の衝突と52,441回の参照ショットで、偏光反転チャンネルが数えた光子は、ポンプありで1ショットあたり0.4649個、なしで0.4636個だった。差はない。背景を差し引くと、超過分は1ショットあたり−0.0024個で、ゼロと矛盾しない。

100億倍雄弁な沈黙

沈黙が何を意味するかを知るため、チームは実験全体をシミュレーションした。ビームごと、レンズごとに、各ショットで測定された位置ずれまで含めてだ。量子電磁力学の予測では、キャンペーン全体を通じて偏光反転チャンネルに入る光子は合計でわずか0.0008個。今回の測定で検出できる量よりはるかに少ない。

結果は上限として得られた。95%の信頼度で、光による光の散乱は、衝突エネルギー116電子ボルトにおいて、量子電磁力学の予測値の最大70,000倍である。2,751回の衝突で56個を超える光子の信号があれば、目立っていたはずだ。これまでの低エネルギー実験が到達していた上限は、約100億倍弱いものにすぎなかった。

光による光の散乱の上限を、量子論の予測（1にある赤い破線）に対する比で示したもの。70,000にある今回の実験と、これまでの低エネルギー実験の比較。— 図4、Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

差を埋める

著者らによれば、70,000という差は手の届かないものではない。ReLaXを公表どおりの8ジュール、1ヘルツで運転すれば、同じ時間で8倍の信号が得られる。現在の施設の制約から解放された暗視野の配置にすれば、背景の除去性能は1,000倍以上向上する。より高速な検出器なら、さらに10倍以上を稼げる。これらの改良を合わせれば、光が光に散乱される現象を実験室で初めて直接観測でき、さらに量子電磁力学が真空の応答に割り当てる2つの数、aとbを測定できるはずだ。