この春、国際的な科学者の共同研究によって、物理学の最も重要な理論を覆す可能性のある測定結果が発表されました。発表された数値は、ミューオンと呼ばれる素粒子の挙動を示すもので、その測定値が素粒子物理学の標準モデルの予測と合致するかどうかが大きな疑問でした。もし合致しなければ、それは物理学者が宇宙の仕組みについてまだ理解していない大きな何かがあることを意味します。測定結果が入った封筒が劇的に開封されると、研究者たちは興奮のあまり叫び声を上げました。数値は標準モデルと合致しなかったのです。統計的な偶然ではないことを確実に知るにはさらなる調査が必要ですが、それでもミューオンの謎は深まりました。
ミューオンのような微小な物質を研究するには、巨大な粒子加速器、高感度検出器、そして膨大な計算能力が必要です。しかし、こうした共同研究には技術以上のものが求められます。あらゆる発見の鍵となるのは、科学者と彼らが築き上げる文化であり、そこには重要な研究を提供し、研究全体の方向性を決定づける若手科学者も含まれます。
イリノイ州フェルミ国立加速器研究所のミューオンg-2実験の科学者、ジェシカ・エスキベルに聞いてみよう。大学院を卒業したばかりの頃、エスキベルは実験装置のハードウェアの一部をアップグレードし、実験上の不具合に対応するデータ分析の修正に役立つソフトウェアの開発に携わった。それからわずか数年後、彼女は実験実行コーディネーターの一人として、データ収集を指揮している。しかし、彼女をはじめとする若手科学者たちの研究は、科学的成果を形作っただけでなく、プロジェクトの文化を変えることにも貢献した。
「私たちはこの実験に非常に前向きな見方で臨んでいます」と彼女は言った。「しかし、私が投げかけた質問の多くは、以前に投げかけられたものとは大きく異なっていました」。その中には、何十年もプロジェクトに取り組んできた人なら見落としがちな、ハードウェア、ソフトウェア、そして文化に関する質問も含まれていた。
ミューオンg-2実験は、直径50フィート（約15メートル）の磁石で、電子のより重い親戚であるミューオンの特性を測定します。4月7日、実験の研究者たちは、磁場中でのミューオンの揺れ方を極めて正確に測定したと発表しました。この測定値は、素粒子物理学の基盤となる枠組みである標準モデルの予測とわずかに異なっていました。この測定値が偶然の一致である確率は約4万分の1であるため、この食い違いを公式に「発見」と宣言するには、研究チームはさらにデータを取得する必要があります。しかし、もしこの測定値が正しいとすれば、未解明の物理現象が存在することを示唆しており、それが新粒子の発見や、暗黒物質の正体といった未解決の大きな疑問への答えにつながる可能性があります。
エスキベルは2018年、博士号を取得して間もなく、この実験に参加した。博士課程では、謎に包まれたニュートリノ粒子に関する実験結果を認識できるようニューラルネットワークをトレーニングした。この移行には急峻な学習曲線が必要だった。異なる粒子と、それに付随する異なる物理法則を研究すると同時に、ソフトウェアからハードウェアへと切り替えなければならなかったのだ。彼女は頭から飛び込んだ。最初の実行中、実験の一部である「ブルムライン」（ヒマシ油を満たした巨大な同心円状の金属管で構成）から火花が散った。原因を突き止めるため、彼女は管を支える構造物を備えた大きなテーブルの上で、その部品から電気を抜き取り、完全に分解しなければならなかった。彼女とチームメイトは管を研磨し、絶縁材を交換する必要があった。その間、彼女は同時に他の研究室を行き来して電子機器をアップグレードし、実験の各部間で信号を転送するための回路基板の開発、テスト、はんだ付けを行っていた。
彼女は最終的に、大学院での経験により近い研究、つまり実験ソフトウェアの研究へと移り、故障した部品によってもたらされる磁気効果に対応するためにデータ分析パッケージを調整することに取り組みました。「ソフトウェアチェーンには、最終的な分析そのものに取り組むほど華やかではない部分もあります」と彼女は言います。「しかし、損傷した部品への応答をオン/オフにするフレームワークを開発していなければ、最終的な値の不確実性を計算することはできなかったでしょう。」
実験開始からわずか2年後、チームはエスキベル氏を実験コーディネーターの1人に選び、彼女は現在もその役職に就いている。1か月に及ぶシフト中、実験コーディネーターはチームが完了しなければならないすべての作業を確認し、タスクを割り当て、それらのタスクが完了したことを確認する。さらに、実験自体でミューオンを生成するために使用する粒子ビームを送る加速器部門と連絡を取る必要がある。新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、複雑さはさらに増した。フェルミ国立加速器研究所の施設規則により、実験ホール内に一度に入ることができる人数が最小限に抑えられていた。まさに試練の連続だった。「実験コーディネーターを務めた最初の日、何カ月も閉鎖されていた実験を再開させようとしていました」と彼女は語り、進行中の新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより延長された、すでに予定されていた長期の閉鎖について言及した。しかし、彼女はその困難に立ち向かった。
ランコーディネーターとして、エスキベル氏は、実験の日常業務の多くを担うポスドク研究者や大学院生の健康管理に尽力してきました。科学者の過重労働は危険な環境につながる可能性があると彼女は説明します。「学生を達成不可能な限界まで追い込むべきではないと私が言うとき、人々が耳を傾けてくれるという、この権力のある立場を活用できることに感謝しています。」彼女は、ジョージ・フロイド氏が警察に殺害された後、黒人女性として、人種的正義のための闘いについて、ミューオンg-2の他の科学者たちと複雑な対話を主導することができました。これは、科学者チームがこれまで職場で公然と話すことをためらっていた対話です。
実験の文化は、必ずしも若手科学者や多様な科学者の意見を重視する雰囲気ではなかったと、2014年に博士号を取得して以来フェルミ国立加速器研究所に勤務するミューオンg-2実験の准科学者、タミー・ウォルトン氏は述べた。ウォルトン氏によると、g-2実験は1997年から2001年にかけてブルックヘブン国立研究所で行われた実験の継続であったため、指導的役割の多くは以前の実験で高く評価されていた物理学者に委ねられ、新しい世代の科学者が指導的役割に就くのは難しかったという。ウォルトン氏自身も、キャリア初期の科学者であり、実験に参加した最初の（そして当時唯一の）黒人女性であったため、それはさらに困難だったという。
ウォルトン氏らの尽力もあって、実験の若手科学者たちの状況は好転し始めている。ウォルトン氏によると、実験指導部は実験の方向性に関する重要な決定を彼女らにますます委ねているという。エスキベル氏は、これはウォルトン氏が実験を目にした際に不公平だと声を上げたことも一因だと考えている。今年4月、フェルミ国立加速器研究所のスデシュナ・ガングリー准科学者はビデオインタビューで、若手科学者たちが現在、実験コーディネーターやプロジェクトリーダーとして、ハードウェア、ソフトウェア、運用全般にわたる多くの責任を担っていると語った。こうした責任は、将来物理学研究の道に進むための訓練となる。エスキベル氏は、4月の発表の際に、共同研究グループの上級指導部が若手科学者たちに、実験結果のスポークスパーソンとして主導権を握るよう奨励したと指摘した。
科学者の伝統的なステレオタイプは、白髪で孤独な男性を描いていますが、物理学の実際の歴史は、この分野の進歩における若い科学者の重要性を明らかにしています。アインシュタインは26歳で、ハイゼンベルクは25歳でノーベル賞を受賞しました。ジョスリン・ベル・バーネルは24歳の大学院生でパルサーを発見しました。今日では、大学院生やポスドク研究者が、大規模な物理学共同研究における日常業務の多くを担っています。年齢は成功を予測するものではありません。
エスキベル氏は最終的に、大学院で習得した機械学習技術をミューオンの研究に応用し、ひいては素粒子物理学の最も重要な理論に疑問を投げかけ続けたいと考えている。しかし、彼女をはじめとする若手研究者たちは、既に良い影響を与えている。
