素粒子物理学の停滞という悪夢を打破するにはどうすればいいでしょうか?

ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器が驚くべき成果をもたらさない限り、素粒子物理学は終焉を迎えるかもしれない。

編集：葉凌源

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の4つの主要検出器のうちの1つであるATLAS装置が、新たな衝突実験のためにアップグレードされました。画像クレジット: Maximilian Brice/CERN

10年前、素粒子物理学者たちは世界を興奮させた。 CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は世界最大の粒子加速器です。 2012年7月4日、ここで研究する6,000人以上の研究者がヒッグス粒子の痕跡を発見したと発表しました。これは非常に質量が大きく、寿命が短い粒子であり、他の素粒子が質量を得る仕組みを説明する鍵となります。この発見は、当時48年も前の理論的予測を裏付け、標準モデルとして知られる物理学理論を完成させ、物理学者たちを一躍脚光を浴びさせた。

ヒッグス粒子の存在は、1964年にピーター・ヒッグスによって初めて提唱されました。長い間、ヒッグス自身を含む物理学者たちは、この仮説の物理的な意味についてよくわかっていませんでした。しかし、時が経つにつれ、ヒッグス粒子が素粒子物理学において果たす重要な役割が徐々に認識されるようになりました。これは標準モデルの最後の欠けているピースであり、この粒子（より正確には、この粒子を励起するヒッグス場）がすべての粒子が質量を持つ理由です。質量は、当初考えられていたように、粒子の固有の特性ではありません。むしろ、それは宇宙全体に広がるヒッグス場との相互作用の結果なのです。物理学者たちは何十年もこの理論を信じてきましたが、実際に実験的に確認されたのは2012年になってからでした。

ヒッグス粒子の発見は素粒子物理学における記念碑的な成果であり、数十年にわたる探求の終焉と、この極めて特殊な粒子の研究における新時代の幕開けを告げるものでした。しかし、カーニバルの後、フィールドは長い二日酔いに陥りました。全長27キロメートルの円形大型ハドロン衝突型加速器が2010年に本格的にデータ収集を開始する前から、物理学者たちは、この加速器がヒッグス粒子しか生成せず、標準モデルを超える新たな物理学の可能性の手がかりを何も残さないのではないかと懸念していた。現在、この悪夢のようなシナリオは徐々に現実になりつつあります。 「少し残念だ」とパサデナにあるカリフォルニア工科大学の物理学者バリー・バリッシュ氏は語った。 「標準モデルを拡張する主要な物理理論である超対称性が見つかるのではないかと思った」

しかし多くの物理学者は絶望するのはまだ早いと述べている。 3年間のアップグレードを経て、大型ハドロン衝突型加速器は計画されている5回の実験のうち3回目を実施する準備を整えている。毎秒数十億回の陽子同士の衝突が発生し、新しい粒子が生成される可能性がある。人工知能の発展は新たな機会ももたらしました。10年前であれば、ほとんどの物理学者はおそらく、ニューラルネットワークを使用してデータを分析するという考えを嘲笑したでしょう。しかし、多くの若い研究者や産業界のパートナーの協力により、物理学者が膨大な量のデータからさらに研究する価値のある現象を検索するのに役立つ特殊なニューラル ネットワークが構築されました。 LHCは今後16年間稼働し、さらにアップグレードすることで、これまでに収集したデータの16倍のデータを収集する予定です。これらすべてのデータには、新しい粒子や新しい物理学の微妙なヒントが含まれている可能性があります。

しかし、衝突物理学の実験は失敗に終わり、廃れつつあると考える研究者もいる。シカゴ大学の物理学者、フアン・カラー氏は、いくつかの小規模な実験で暗黒物質の痕跡を探している。「それでも何も見つからなければ、この分野全体が消滅してしまうだろう。」ロンドン大学キングス・カレッジの理論物理学者ジョン・エリス氏は、この分野での飛躍的進歩の希望は、探究の見通しが長く不確実なため打ち砕かれており、最終的な失敗は、歯が自然に抜け落ちるときのように静かに起こるものではなく、歯を抜くときのように突然で痛みを伴うものになるだろうと語った。

物理学者たちは1970年代から、素粒子物理学の標準モデルに取り組んできました。このモデルによれば、通常の物質は、アップクォークとダウンクォークと呼ばれる軽量粒子（3つずつ結合して陽子と中性子を形成する）と、電子、および電子ニュートリノと呼ばれる質量がほぼゼロの粒子で構成されています。 2 組のより重い粒子は真空中に休眠状態のまま残り、粒子衝突の衝撃でほんの一瞬だけ現れます。すべての粒子は他の粒子を交換することによって相互作用します。光子は電磁力を運び、グルーオンはクォークを結合する強い力を運び、質量のある W ボソンと Z ボソンは弱い力を運びます。

標準モデルは、科学者がこれまで粒子加速器で観測したすべてのものを説明しています。しかし、それは自然の究極の理論ではあり得ません。重力を記述することはできず、神秘的で目に見えない暗黒物質も含まれません。宇宙では、暗黒物質と通常の物質の質量比は約 6:1 であると考えられます。ニュートリノは標準モデルに含まれていますが、その極めて低い質量についてはまだ説明がつきません。通常の物質も標準モデルによって説明されることは明らかですが、ビッグバン後にどのようにして通常の物質が反物質よりも優位になり、支配的になったのかについてもわかっていません。ヒッグス粒子自体には、解決すべき謎がまだ多く残っています。

大型ハドロン衝突型加速器は、この行き詰まりを打破するはずだった。リング状の構造の中で、反対方向に周回する2つの陽子が衝突し、これまでのどの衝突型加速器よりも7倍以上のエネルギーを持つ、他では得られない重い粒子を生成します。 10年前、多くの物理学者は、大型ハドロン衝突型加速器によって、相互作用する新しい粒子やミニブラックホールなど、新しい現象が急速に発見されるだろうと予想していました。ドイツのDESY研究所の素粒子物理学のディレクターであるベアテ・ハイネマン氏は、生成された超対称粒子に人々は圧倒されるだろうと考えたと回想する。当時の物理学者たちは、ヒッグス粒子の発見にはもっと長い時間がかかるかもしれないと一般的に信じていた。

しかし予想外だったのは、ヒッグス粒子がわずか3年でこれほど早く発見されたことだ。その理由の1つは、その質量が多くの物理学者が予想していたよりも小さく、陽子のわずか133倍しかないことだ。その質量が大型ハドロン衝突型加速器のエネルギー限界を超えたり、他の粒子との相互作用が弱かったりすると、発見できる見込みはまったくありません。ヒッグス自身はかつて、自分が生きている間にヒッグス粒子の存在の証拠が見つかるとは思ってもいなかったと語っており、これは間違いなく素粒子物理学における画期的な成果である。しかし、それから10年経っても、物理学者は他の新しい粒子を発見していない。

新しい現象の不毛さは、物理学者が大切にしてきた原理のいくつかに疑問を投げかけています。自然性の原理によれば、理論上、物理定数の無次元比は 1 と同じオーダーでなければならないとされています。これに基づくと、ヒッグス粒子の質量が低いということは、大型ハドロン衝突型加速器が到達できるエネルギー範囲に新しい未知の粒子が存在することをほぼ保証することになります。量子力学の原理によれば、宇宙の真空中をさまよう仮想粒子はどれも現実の粒子と相互作用し、その特性に影響を与えます。これはまさに仮想ヒッグス粒子が他の粒子に質量を与える仕組みです。ヒッグス粒子の質量は、真空中の他の標準モデルの粒子、特にトップクォークによって大幅に増加するはずでしたが、そうではありません。したがって理論家たちは、トップクォークの効果を「自然に」打ち消すには、同様の質量とちょうどよい物理的特性（特に異なるスピン）を持つ少なくとも1つの新しい粒子が真空中に存在しなければならないと推測している。

超対称性理論は、そのような粒子の存在の根拠を提供することができます。つまり、既知の標準モデルの粒子ごとに、異なるスピンとより重い質量を持つパートナー粒子の存在を仮定します。これらのパートナー粒子は、ヒッグス粒子の質量が高すぎないことを保証するだけでなく、ヒッグス場がどのように生成されるかを説明するのにも役立ちます。

しかし、過去 10 年間で、実験観測と標準モデルの予測の間にはわずかな相違しか発見されておらず、これらの異常は期待されている新しい粒子の存在を示唆するものではない。例えば、2017年に、LHCb検出器（大型ハドロン衝突型加速器の4つの主要な粒子検出器の1つ）で実験していた物理学者は、B中間子（重いボトムクォークを含む粒子）が、標準モデルによれば同じであるはずのミューオンと反ミューオンよりも、電子と陽電子に崩壊する可能性の方が高いことを発見しました。同様に、ミューオンは標準モデルが予測するよりもわずかに磁性が強い可能性があることを示唆する実験もあります。

ヒッグス粒子自体も、探査のための他の方向性を示しています。 2020年8月、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS装置とコンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）検出器で研究する物理学者のチームは、ヒッグス粒子がミューオンと反ミューオンのペアに崩壊するのを発見したと発表した。このまれな崩壊の速度が理論予測と異なる場合、その偏差は真空中に隠れた新しい粒子を示している可能性があると、ボストンのフェルミ国立加速器研究所の理論物理学者マルセラ・カレナ氏は言う。

物理学者たちは、今後3年間にわたる大型ハドロン衝突型加速器での実験でこれらの現象を研究する予定だ。しかし、こうした探索が劇的な「エウレカ！」につながるとは限りません。瞬間。 「現在、実験は微妙な現象を非常に高い精度で測定する方向にシフトしています」とハイネマン氏は言う。それでも、カレナ氏は「20年後に『ああ、ヒッグス粒子の発見後、何も新しいことは分からなかった』と言うことはまずないだろう」と語る。

ヒッグス粒子の発見を山登りに例えると、ヒッグスが初めて理論を提唱した当時は、その山がどこにあるのか、またその山の高さはどれくらいなのかさえわかっていませんでした。素粒子物理学の標準モデルも完成していませんでした。どこか山頂に、標準モデル構造全体の存在を実際に確認できるヒッグス粒子が存在するということを人々は漠然としか認識していませんでした。 1990 年代後半になって初めて、私たちはその山がどれだけ高いのかを知ることができました。 2012年になってようやく私たちは頂上に登頂しました。

しかし、今は状況が違っていました。私たちは山の反対側を下り、不毛の平原を横切らなければなりませんでした。この平面は前方に広がり、おそらくプランクスケール（宇宙の最小の空間スケール）まで達するでしょう。現在の予測が正しければ、平原のどこかに物理学の新たな頂点となる他の山々が存在するはずです。おそらく、レプトクォーク（前述の B 中間子とミューオンの異常性を説明する鍵となるかもしれない）や、超対称粒子、暗黒物質粒子などの新しい粒子を発見できるかもしれません。おそらく、ヒッグス粒子に関するさらなる謎を解明できるでしょう。ヒッグス粒子自体は素粒子なのか、複合粒子なのか？暗黒物質と相互作用する可能性はあるでしょうか?もしそうなら、それを通じて暗黒物質についてさらに詳しく知ることができるでしょうか?ヒッグス場は自己作用を通じてヒッグス粒子に独自の質量を与えるのでしょうか?多くの科学者は、これらの問題を解決できると楽観視しています（たとえそれが少し空想に聞こえるとしても）。しかし、少なくとも、これらの新しい山々を見るために平原をどのくらい越えなければならないかについては明確な兆候がありません。そして、それが私たちが今いる場所と過去数十年の間にある場所の違いです。

LHC実験者の成功の可能性について、それほど楽観視していない人々もいる。ミネソタ大学ツインシティ校の物理学者マービン・マーシャク氏は、「彼らは砂漠に直面しているが、その砂漠がどれほど広大であるかを知らない」と考えている。上記の問題を解決するには、ヒッグス粒子を大量に生成する能力が必要になる可能性が高いが、これは大型ハドロン衝突型加速器が現在、あるいは 20 年後でも実現できない能力である。 CERN は、将来の「ヒッグス工場」として機能する、より高いエネルギーを持つ次の衝突型加速器、Future Circular Collider を計画しています。しかし、楽観論者でさえ、LHCが何も新しい発見をしなければ、この分野を前進させるために、さらに大きくて高価な次の衝突型加速器を建設するよう世界各国の政府を説得するのは難しくなるだろうと述べている。

最近、LHC の多くの物理学者は、陽子の衝突に関する研究に再び取り組めることに興奮しています。過去3年間にわたり、科学者たちは検出器をアップグレードし、衝突型加速器の低エネルギー加速器セクションを再設計してきました。 CERNの加速器および粒子ビーム部門のディレクターであるマイク・ラモント氏は次のように語った。「現在、LHCの衝突率はより安定しており、実質的にデータ量が50%も増加するはずです。」数か月間、加速器物理学者たちは大型ハドロン衝突型加速器によって生成される粒子ビームをゆっくりと調整してきた。粒子ビームが十分に安定すると、検出器をオンにしてデータ収集を再開し、新たな一連の実験を実施し、暗い平原を前進し続けることになります。

参考文献

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.372.6538.113

[2] https://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-ruined-peter-higgss-life/

[3] https://www.scientificamerican.com/article/10-years-after-the-higgs-physicists-are-optimistic-for-more-discoveries/

[4] https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery

制作：中国科学普及協会

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