ALICE コラボレーションは、ほんの一瞬で鉛を金に変え、大型ハドロン衝突型加速器内で起きる奇妙な物理現象を明らかにしたことで、2025 年ギズモード サイエンス フェアの優勝者となりました。
質問
CERN の大型イオン衝突型加速器実験 (ALICE) は、物質を極限エネルギーレベルで研究する際に、どのような副産物を生成しますか?
結果
いろいろありますが、おそらく最も興味深いのは金です。
ALICEコラボレーションは、今年初めに発表されたPhysical Review Cの論文で、2015年から2018年の間に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が約860億個の金の原子核を生成し、それぞれの寿命が約1マイクロ秒であると発表しました。
ALICEは主に、陽子の82倍の電荷を持つ鉛原子核間の高エネルギー衝突を研究しています。これらの大きな原子核は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）内をほぼ光速で移動し、ALICE検出器に衝突します。衝突によって光子エネルギーのパルスが発生し、原子核の一部（通常は中性子ですが、陽子の場合もあります）が削り取られます。鉛原子核が陽子を3つ失うと、79番元素、つまり金に変化します。
この変換は1秒間に約5万回から8万回発生します。確かに、このプログラムによる「金の生成量は非常に膨大です」と、CERNの加速器物理学者であるジョン・ジョウェット氏は述べています。「しかし、人間のスケールで見ると、金の生成量は非常に少量です。（これまでのところ）私たちが生成できたのは、おそらく90ピコグラム程度、つまり1グラムの100万分の1の100万分の1に相当します。」
90ピコグラムの金は、出現後ほぼすぐに消滅してしまうと彼は付け加えた。「ですから、これは私たちに、原子が私たちが慣れ親しんでいるスケールと比べていかに小さいかを思い出させてくれるのです。私はよく皆さんにこう言います」と彼は言った。
なぜ彼らはそれをしたのか
ジョウェット氏によると、これらの装置に精通しているCERNの科学者にとって、この結果は驚きではなかったという。「これまであまり話題に上っていませんでしたが、こうなるはずだと分かっていました。」
カンザス大学の物理学者で、このプロジェクトのCERNワーキンググループを率いたダニエル・タピア・タカキ氏によると、科学者たちはこのプロセスがALICE全体にとって深刻な影響を及ぼすことを認識していたという。CERNで変化する粒子は通常、非常に長い距離を移動するため、その一部はLHCトンネルの異なるセクションに衝突することが避けられない。
「つまり、それらは基本的に一種の安全上の危険となります。少なくとも警報が鳴り始めるということです」とタピア・タカキ氏は述べた。「非常に安定した衝突型加速器が求められます。ですから、この変化をいかに軽減するかを正確に理解することが、次世代の衝突型加速器における最優先事項の一つです。」
ウリアナ・ドミトリエワは、このプロセスを公式かつ科学的な方法で記録するプロジェクトを立ち上げた、野心的な若手科学者です。このプロジェクトはあまりにも途方もない規模であったため、論文が注目を集める頃には、修士課程の学生としてこのプロジェクトを提案したドミトリエワは既に博士号を取得し、イタリア国立原子核物理研究所のスタッフサイエンティストとなる準備をしていました。
「博士論文よりも時間がかかりました」と彼女は笑った。「これらのプロセスに関する正式な分析はほとんどなく、モデル化が難しかったので、実際にはすべてをゼロからやり直さなければなりませんでした。誰も検証していなかったため、計算には多くのバグがありました。」
彼らが勝者である理由
こうした努力は、チームにとって想像もつかなかった方法で、努力以上の価値をもたらした。このプロジェクトへの世間の注目は、金の生成が「論文のほんの一部に過ぎない」という事実を覆い隠しているようだ。「論文は主に、いわゆる超周辺相互作用による陽子放出と鉛の衝突についてのものだった」とジョウェット氏は指摘する。
「…奇妙でした。だって、私たちはただ陽子を測定しただけなのに、特に面白いことは何もないのに、なぜそれがあちこちにあるんですか？」とドミトリエワは冗談を言った。「LHCにある種の錬金術があるなんて、本当に面白い話ですね。」
しかし、研究チームはこの角度に傾倒することを決意しました。これは明らかに「人々の想像力を掻き立て、この物理学の一部を説明する良い方法だと思った」とジョウェット氏は付け加えました。全体として、彼らは自分たちのプロジェクトがCERNの壮大な科学事業への入り口となったことに、嬉しい驚きを覚えました。
「嬉しくもあり、同時に謙虚な気持ちにもなりました」とタピア・タカキ氏は語った。「知識と感動を共有する責任が私たちにはあります。そして、金を生み出すことは本当に刺激的なことです。」
次は何か
世間の熱狂が冷めた今、研究者たちはこのデータを基に検出器のさらなる改良を目指しています。しかしながら、プロジェクトの規模の大きさを考えると、共同研究全体に関する統一された計画は存在しません。
タピア・タカキ氏は、共同研究による陽子および中性子放出の精密かつ体系的な測定能力の向上を目指しています。これらの成果によって、ALICEの独特な素粒子物理学が量子力学における最も喫緊の課題の解決に役立つことを期待しています。
2019年にCERNを退職したジョウェット氏は、現在ALICEコラボレーションのメンバーです。「LHCでは多くの研究が行われています」と彼は言います。「LHCは非常に広帯域の装置で、様々なことを研究しています。ALICEはその一部に過ぎません。LHCはいくつかの驚きをもたらしてくれました。そして、これからもそうあり続けると思います。」
チーム
ALICEは大規模な共同研究プロジェクトだと言うのは、とてつもなく控えめな表現でしょう。39カ国163機関に1,886名のメンバーが参加するALICE共同研究プロジェクトは、まさに科学者の街と言えるでしょう。鉛を金に変えるには、まさに科学者の街が必要です。ALICE共同研究プロジェクトのメンバー一覧は、こちらをご覧ください。
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この記事は、CERN および ALICE コラボレーションにおける John Jowett の現在の状況をより正確に反映するように更新されました。
