2012年の夏、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の科学者たちはヒッグス粒子の発見を華々しく発表した。「神の粒子」と呼ばれるこの粒子は、素粒子物理学のバックボーン理論によって予測された最後の未発見の新粒子だった。
それ以来、物理学者たちは何も発見していない。ヒッグス高は過去10年間持続せず、2012年以降は画期的な発見もない。ニューヨーク・タイムズの科学記者デニス・オーバーバイ氏は、この沈黙を「不吉」と評した。
しかし、これから先は、未解決の壮大な謎のフロンティアが待ち受けています。宇宙にはなぜ物質が反物質よりも多いのか、暗黒物質と暗黒エネルギーの正体は何なのか、あるいは奇妙な超弱粒子ニュートリノがなぜ幽霊のような存在になったのか、といった謎です。多くの人にとって、今は刺激的な時代です。多くの新しいアイデアと、それらを検証するための実験が待ち受けています。
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「これらのプロジェクトすべてにおいて、発見の可能性は非常に現実的です」と、SLAC国立加速器研究所の主任研究責任者であるジョアン・ヒューエット氏はギズモードに語った。新たな実験が増えれば、これらの謎の一部を解明できる可能性、あるいは少なくとも手がかりを発見できる可能性が高まることを意味する。
幽霊狩りマシン
宇宙で最も豊富な粒子の一つであるニュートリノは、研究が最も難しい粒子の一つでもあります。ニュートリノは通常の物質との相互作用が弱いことから、「幽霊のような」粒子とも呼ばれています。科学者たちは現在、この粒子には3つの異なるフレーバーと3つの異なる質量状態があることを知っていますが、質量状態はフレーバーと明確に対応しておらず、それぞれのフレーバーは3つの質量状態の組み合わせです（この奇妙な現象は量子力学のせいです）。科学者たちは、これらの質量の値と、それらが組み合わさって各フレーバーを形成する際に現れる順序を明らかにしたいと考えています。ドイツのKATRINなどの実験では、これらの質量の測定に取り組んでおり、KATRINは少なくとも今後5年間データを取得する予定です。
ニュートリノの質量の奇妙さには、奇妙な副作用が伴う。宇宙を旅するにつれて、ニュートリノはフレーバー間を振動するように見えるのだ。この振動を解明しようとする実験としては、来年から近隣の原子力発電所から放出されるニュートリノのデータ収集を開始する予定の中国の江門地下ニュートリノ観測所と、日本で長年観測を行っているスーパーカミオカンデがある。米国は、イリノイ州とサウスダコタ州にそれぞれ設置される長基線ニュートリノ施設（LBNF）と深部地下ニュートリノ実験（DUNE）と呼ばれる、独自の大規模ニュートリノビームとそれに対応する検出器の建設を開始した。国際的に資金提供を受けた15億ドルのLBNF/DUNE実験は、2024年にオンラインになり、2027年までに完全に稼働する予定です。テネシー州オークリッジ国立研究所のPROSPECTやイリノイ州フェルミ国立加速器研究所の短基線ニュートリノプログラムなど、他の実験もニュートリノの謎を解明することに専念しています。
ニュートリノは、その固有の特性以外にも興味深い点があります。南極の地下に埋設されたアイスキューブ・ニュートリノ観測所は、地球を伝播するニュートリノを測定しています。アイスキューブはつい最近、超高エネルギー宇宙線粒子の起源の謎を解明しました。地中海で同様のニュートリノを探すためのKM3NeTと呼ばれる水中ニュートリノ望遠鏡の建設は、早ければ2025年にも開始される可能性があります。
空を深く見つめて
私たちの宇宙の姿と進化は、3つの要素によって決定されます。それは、通常の物質、謎に包まれた暗黒物質、そしてさらに謎に包まれた暗黒エネルギーです。これは、素粒子物理学が地球上でのみ起こるのではなく、基本的な物理的性質が宇宙の構造そのものに影響を及ぼす可能性があることを意味します。粒子検出器よりも望遠鏡に近い実験は、未解明の物理学の謎に答えをもたらす可能性があります。
おそらく最大の疑問は、宇宙に遍在し、宇宙の膨張を加速させている謎のエネルギー、ダークエネルギーの正体でしょう。ダークエネルギー分光装置（DESI）による調査は昨年始まったばかりで、国立科学財団と米国エネルギー省がチリに建設する5億ドル規模の大型シノプティック・サーベイ望遠鏡は2020年に稼働を開始し、2022年には独自の調査を開始する予定です。宇宙に設置される望遠鏡である広視野赤外線サーベイ望遠鏡は、期限が守られ、議会がジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の建設に伴う費用とスケジュールの超過を理由に32億ドルのプロジェクト資金を削減しない限り、2020年代半ばに打ち上げられる予定です。このような実験は、無数の銀河を観測することで宇宙を調査し、ダークエネルギーが粒子によって引き起こされるのか、宇宙構造の本質的な特徴なのか、現在の重力理論における未解明の数学の結果なのか、あるいは何か他のものなのかを解明しようと試みます。
暗黒物質探査望遠鏡は、地球に到達する高エネルギー電子数の謎めいた減少、遠方の水素からの信号の奇妙なパターン、宇宙からの反物質の過剰、銀河中心から来る余分なガンマ線など、他の異常現象も探査しています。これらの観測結果の潜在的な説明として暗黒物質がしばしば挙げられますが、他にも脈動する回転する中性子星、あるいは単に私たちの理論が間違っているなど、考えられる原因は他にもあります。これらの異常現象はすべて、今後10年間で説明がつくか、少なくとも理解を助けるより多くのデータが得られるかもしれません。
「衝突型加速器を使った実験では、高エネルギーの物体を衝突させて何が出るかを調べますが、こうしたプロセスは宇宙の誕生以来ずっと続いています」と、MITのポスドク研究員であるレベッカ・リーン氏はギズモードに語った。「例えば、宇宙線を発生させる高エネルギーの現象があり、それが宇宙のあらゆるものと衝突します。私たちはこれを利用して新しい粒子を発見し、私たちが理解している物理学とは異なる何かが起こっているかどうかを調べることができます。」
LHCがアップグレード
素粒子物理学の象徴的な実験である、スイス・ジュネーブの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、今世紀における最も重要な素粒子物理学の発見の一つを生み出したかもしれないが、物理学者たちはこの装置からさらなる成果を引き出そうとしている。「ロングシャットダウン2」では、この装置はメンテナンスのため2021年まで停止される。その後、2023年まで同程度かやや高いエネルギーで再稼働し、その後、2026年に完了予定の大規模なアップグレードが行われる。
10億ドルを投じたアップグレード「高ルミノシティLHC」は、2030年までに1秒あたりの衝突回数を10倍に増やす可能性があると、私たちの報道では述べられている。それぞれの衝突は、新たな粒子を生み出したり、現在理論化されている物理法則に反する現象を生み出したりする可能性をわずかながら秘めている。衝突率、つまりルミノシティが高まれば、物理学者の探索に利用できる統計量が増え、粒子の質量や他の粒子に崩壊する頻度などについて、より正確な値が得られる。これはいわば、それぞれの粒子衝突がそれぞれ結果の可能性がある独自の実験であるが、何かが見つかる実験と何かが見つからない実験が非常に似ているため、結果が予想以上に多く発生したかどうかを知るには、10億回も実行する必要があるようなものだ。現在、LHCは同じ時間内にさらに多くのミニ実験を行うことができる。これはかなりすごいことだ。
より多くの統計データがあれば、物理学者は理論上の粒子崩壊が予測通りに存在するかどうかを確かめることができる。もし存在しない場合、新たな研究の道が拓かれる。LHCb検出器によって検出された稀な崩壊の一つは、現在の理論予測とは異なるように思われる。より多くの統計データがあれば、この差異が実際に統計的に有意であるかどうかを判断できる。つまり、偶然に現れた可能性は極めて低く、未知の粒子や物理的な力の兆候である可能性があるということだ。科学者たちはまた、可能な限り多くのヒッグス粒子を生成しようと試み、その様々な特性を研究し、標準模型と比較することで、逸脱を探すだろう。
違った考え方
「LHCは短距離走ではなくマラソンです。長期間にわたって走り続けなければなりません」と、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）ATLAS実験の素粒子物理学者、ジェームズ・ビーチャム氏はギズモードに語った。「ほんのわずかな衝撃でしか現れないかもしれない何かが、ついにノイズの中から姿を現すチャンスを得るかもしれません。それがLHCの今後10年間の目標です。」
科学者たちはLHCの性能を最大限に引き出そうと、新たな方法でデータを精査したり、従来の検出器では不可能だった物理理論にアクセスできる新しい検出器を開発したりしている。例えば、LHCの検出器は現在、最初の衝突地点から数メートル離れた地点に痕跡を残す粒子を探している。しかし、もし一部の粒子が実際に検出可能になる前に検出器の外まで漂い出てしまったらどうなるだろうか？MoEDALやMilliQanといった、LHCの主要検出器の外に設置されている、主にプラスチック製の検出器は、こうした長寿命粒子の発見を目指している。MATHUSLAという提案では、衝突地点から遠く離れた地上に、飛行機格納庫ほどの大きさの空気で満たされたチャンバーを設置し、こうした潜在的な漂流粒子を捕らえることを目指している。
https://gizmodo.com/the-high-schoolers-hunting-for-the-universes-secrets-1795853225
LHCのデータを別の方法で分析し、収集する方法を考えている研究者もいます。最近の分析では、LHCb検出器がデータを破棄するかどうかを決定するシステムを調整することで、ダークフォトンと呼ばれる粒子をより詳しく調べました。LHCのデータはまだたくさん残っており、HL-LHCから得られる新しいデータが山ほどあるため、物理学者たちはきっと忙しくなるでしょう。
何かが起こるのを待っている
LHCでまだ検出されていない粒子の一つは、私たちが暗黒物質と呼ぶ謎の質量源を説明する粒子です。その質量は通常の物質の5倍にも及ぶと考えられています。この暗黒物質が何でできているかは、科学者たちにも未だ解明されていません。最近まで、最も有力な説は「WIMPS」（弱い相互作用をする質量の大きな粒子）でした。現在、世界中の様々な場所で地下深くに埋もれた実験装置が、これらのWIMPの1つが高感度の検出媒体と相互作用して可視信号を生成することを期待して待ち構えています。
今のところ、これらの実験では何も発見されていません。より正確に言えば、何も見つかっていないことがほとんどです。WIMP候補物質の可能性は排除されました。しかし、何も見つからなかったとしても、価値はありますが、何かを発見するほど興奮するわけではありません。今後10年間で、これらの実験は感度を向上させるためのアップグレードを受ける予定です。イタリアの地下深くに設置された巨大な液体キセノンタンク「XENON-nT」実験は、現在稼働準備が進められており、まもなく独自の探査を開始する予定です。サウスダコタ州LZにあるもう一つの巨大なキセノンタンクも、2020年に独自の探査を開始する予定です。超高感度・超低温半導体検出器「SuperCDMS SNOLAB」で構成される別の実験は、2020年代初頭にオンタリオ州でデータの取得を開始する予定です。
科学者たちが探している暗黒物質の候補はWIMPだけではありません。実験では、アクシオンと呼ばれる超低質量粒子が出現するかもしれません。まるで、ゆっくりとチューニングされたラジオが暗黒物質の信号を待ち構えているようなものです。もしかしたら、太陽から地球に向けて発射されているのかもしれません。
巨大な地下検出器は、それほど謎めいていない物理学の研究にも役立ちます。基本的に極めて高感度な粒子検出器であるため、科学者たちは極めて稀な放射性崩壊現象の測定に利用しています。特に期待されているのは、ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊と呼ばれる現象です。これは、原子核から放出された2つの中性子が同時に陽子に崩壊し、それぞれが電子とニュートリノを放出します。そして、ニュートリノはもう1つのニュートリノと衝突して対消滅します。もしこの種の反応が存在すれば、ニュートリノが自身の反粒子であることが証明され、反物質よりも物質の方が多い理由を説明する初期宇宙の別の理論を間接的に裏付けることになります。この反応を観測する専用の実験は他にもあり、例えば2021年にデータ取得開始が予定されているLEGEND-200実験などが挙げられます。
ミューオンの瞬間
昨年、著名な物理学者ブライアン・コックス氏に幽霊について、そして物理学における最も重要な未解決の謎について尋ねたところ、彼はフェルミ国立加速器研究所の「ミューオンg-2」と呼ばれる粒子を測定する実験結果を挙げました。ミューオンは電子に似た粒子で、電荷は同じですが質量が大きいです。また、磁気モーメントも持ち、磁場をかけると反応してねじれます。このモーメントの値はg因子と呼ばれ、もし余分な量子粒子がなければ2になるはずです。科学者たちは、幅50フィート（約15メートル）の電磁石を使って、この余分な粒子であるg-2粒子の測定を試みています。
現時点では、g-2値は素粒子物理学の標準模型の予測とは異なるように見えます。しかし、この追加の情報には、ミューオンと相互作用する可能性のある他のすべての粒子に関する情報が含まれています。つまり、何らかの新しい粒子、あるいは説明のつかない新しい挙動がこの食い違いを引き起こしている可能性があります。理論と実験の相違が妥当であれば、素粒子物理学の大きな疑問への答えへの手がかりとなるでしょう。
しかし、G-2の不一致はまだ統計的に有意ではありません。研究者たちは、この値をより高精度に測定しようと取り組んでおり、これにより不一致がより明確になるか、あるいは完全に解消される可能性があります。フェルミ国立加速器研究所での現在の実験は2020年まで続き、その後すぐにより明確な答えが得られることを期待しています。
さらに大きく
数多くの進行中の素粒子物理学プロジェクトに加えて、物理学者（および国際協力）はさらに大規模な次世代の衝突型加速器の建設を検討しています。中国のコンソーシアムは、中国円形電子陽電子衝突型加速器と呼ばれる、長さ100キロメートル（62マイル）、費用43億ドルの粒子衝突型加速器の建設を2022年にも開始する計画です。欧州原子核研究機構（CERN）も、長さ約55億ドル、長さ100キロメートルの衝突型加速器を計画しており、2040年代に運用を開始する予定です。現在の衝突型加速器では、これらの提案されている加速器の高エネルギー範囲で新しい粒子の証拠が見つかっておらず、これらの巨大な装置を建造する価値があるのかどうか懐疑的な見方をする人もいます。しかし、これは科学です。この高エネルギー領域で実際に何か新しいものが見つかるかどうかは、それを探索できるほど大きな衝突型加速器を実際に建造してみなければ、知ることは困難です。
計画中の他の衝突型加速器は、異なる方法で物理学の最先端を探究することになるだろう。米国の衝突型加速器をアップグレードすれば、電子イオン衝突型加速器となり、原子を構成する陽子を観察する顕微鏡のような役割を果たす。別の共同研究チームは、日本が建設する全長30～50kmの国際リニアコライダー（ILC）の建設を目指している。日本は70億ドルの建設費の約半額を負担する必要がある。欧州原子核研究機構（CERN）は、全長11～50kmのリニアコライダーを独自に建設する計画だ。リニアコライダーは、ヒッグス粒子などの粒子の質量を超高精度で測定し、素粒子物理学の標準模型を超える新たな物理現象を探したり、あるいは他の潜在的な粒子を発見したりすることを可能にする。
しかし、こうした巨大プロジェクトの建設には、時間、支援、そしてコミットメントが必要です。例えばILCの場合、意思決定者たちは多額の資金に見合う価値があるのか疑問視しており、日本は実験に全面的な支援をしていません。
科学予算が逼迫しがちな中で、FCCのような衝突型加速器は規模が大きすぎて費用がかかりすぎるという声もある。他にも多くの小規模実験が資金獲得を競っているのに、だ。「この衝突型加速器のエネルギー範囲に粒子が存在すると考える十分な根拠があるなら、ぜひ挑戦すべきです」と、フランクフルト高等研究所の物理学者、ザビーネ・ホッセンフェルダー氏はギズモードに語った。「この装置を建設すれば、あと1桁だけ計測値が一定になる可能性もあるのです…」。科学者にとっては価値のある成果かもしれないが、「費用を負担しなければならない人々にとっては、そうでもないかもしれません」。
もちろん、科学には大きなリスクが伴い、現在の経済モデルでは大きな発見を保証しない実験を正当化することは困難ですが、科学の本質的な目的は利益ではありません。
「私たちの仕事は、時に未来の成功のための環境を整えることです」と、ニューハンプシャー大学物理学助教授のチャンダ・プレスコッド＝ワインスタイン氏はギズモードに語った。「科学は私たちのためにもっとうまくいくはずだと考えるのは、非常に人間中心的な見方です。」
もしかしたら、未来はもっと過激な思考、あるいは何も新しい発見がないかもしれない大規模な実験に挑むことさえ求められるかもしれません。今後10年間で社会が劇的に変化し、人々が科学の価値を高く評価し、ノーベル賞の先にあることを気にせず、小規模な実験を犠牲にすることなく、大規模な実験に取り組むようになることを願うばかりです。おそらくそうなることはないかもしれませんが、どうなるかは誰にも分かりません。
いつもこうなるのでしょうか?
「今後5年間で劇的な変化は期待していませんが、だからといって気分が悪くなるわけではありません。ただ、物理学をもっと学び、より良いアイデアを思いつく時間が得られるだけです」と、カリフォルニア大学アーバイン校の博士研究員セイダ・イペック氏はギズモードに語った。
次の10年は、現代物理学における最も深遠な発見をもたらすかもしれない。例えば、暗黒物質の本質、宇宙の現在の姿の由来、そしてその最終的な運命などだ。あるいは、政府やその他の資金提供機関が数十億ドルを費やしても、何も興味深い発見がないかもしれない。過去10年間のヒッグス粒子のように、物理学者の手の届かないところに潜む明白な粒子は存在しないのだ。
しかし、これらの実験の中には、学ぶ機会、間違える機会、そして驚くべき新技術が隠されています。素粒子物理学を念頭に置いた技術進歩は、医療、インターネット、さらには航空宇宙といった他の重要な分野にも応用できる可能性があります。もしかしたら、これらの実験自体が、量子技術の新たな応用など、独自の進歩につながるかもしれません。
私たちは人間です。疑問を持ちますし、望めばその疑問に答えるだけのリソースも持っています。しかし、それが簡単だと言った人は誰もいません。
