ミクロの世界の「スーパーレーストラック」：中国は世界最強の「粒子バンパーカー」の建造を計画

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

SF映画では、ミクロレベルの物質世界に自由に出入りできる未来のテクノロジーがよく登場します。そして今、そんなSFの光景が中国で現実になりつつある。地下100キロメートルのトンネルの中に巨大な「顕微鏡」が誕生し、地球、さらには宇宙の最も深い秘密を覗くことができるようになるかもしれない。

これは中国が建設を計画している世界最大の粒子加速器、円形電子陽電子衝突型加速器（CEPC）です。それは基礎科学研究の進歩を促進するだけでなく、宇宙に対する私たちの理解を完全に変える可能性もあります。

粒子加速器の秘密を解明：ミクロの世界の「スーパーレーストラック」

粒子加速器は、ミクロの世界における「スーパーレーストラック」のようなものです。この高度な装置では、科学者は高度で複雑な加速電界を使用して、小さな粒子を光速に近い速度で移動させ、長いトンネルを迂回して特定の場所で衝突させます。

2本の高速粒子ビームがあらかじめ決められた「観測点」で衝突すると、まるで原子核スケールでミニチュアの「ビッグバン」が起こっているような状態になります。これらの高エネルギー衝突により、通常は隠れている物理現象を観察することができます。これは、アインシュタインの有名な質量エネルギー方程式 E=mc² によれば、膨大な量のエネルギーが物質に変換できることがわかっているためです。そのため、こうした高エネルギー衝突では、瞬間的に放出される膨大なエネルギーによって、私たちの日常の世界ではめったに見られないさまざまな現象が生み出されるほか、微小な粒子の構造の謎を垣間見る機会も得られます。

さらに興味深いのは、この高エネルギー衝突によって、宇宙が誕生した瞬間の高エネルギー状態も再現できるということです。初期宇宙の高温高密度環境をシミュレートすることで、宇宙が特異点から今日私たちが目にする広大な星空へとどのように進化したかをより深く理解することができます。それはまるで「宇宙タイムマシン」のようなもので、宇宙が誕生当初にどのような様子だったかを研究する機会を与えてくれます。

このため、円形加速器は現代物理学の最も重要なツールの 1 つと考えられています。これは、ミクロの世界を探索するための「スーパー顕微鏡」であるだけでなく、宇宙の起源を研究するための「タイムマシン」でもあります。

大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のコンパクト ミューオン ソレノイド (CMS) 検出器。右下の梯子がその大きさを強調しています。

(画像出典: Wikipedia)

中国が建設を計画している粒子加速器は、円形電子陽電子衝突型加速器（CEPC）と呼ばれています。その主な目的は、2012年に発見され比喩的に「神の粒子」と呼ばれる謎の粒子、ヒッグス粒子を研究することだ。魔法の呪文書の中心となる呪文のように、ヒッグス粒子は他の粒子に質量を与えることができると考えられています。

科学者たちは、これを徹底的に研究することで、なぜ物質は質量を持つのかという、宇宙における最も基本的な疑問のいくつかに答えたいと考えている。宇宙はどのように進化したのでしょうか?なぜ宇宙には反物質よりも物質の方が多いのでしょうか?

標準モデルには 6 つのクォーク (紫色) と 6 つのレプトン (緑色) があります。フェルミオンに加えて、4 つのゲージ粒子 (赤) とヒッグス粒子 (黄色) が存在します。

(画像出典: Wikipedia)

CEPC は、この核となるマントラを解読するのに役立つツールのようなものです。この「スーパー顕微鏡」を建造することで、中国の科学者たちは人類による宇宙の謎の探究に重要な貢献を果たし、基礎物理学研究に大きな進歩をもたらすことが期待されている。

CEPC: 科学技術革新の結晶

CEPC の設計は、複数の最先端技術を統合したエンジニアリングの奇跡です。この巨大な「トラック」は、周囲 100 キロメートルの地下トンネルで構成されており、これは標準的な 400 メートルのランニング トラック 250 本を端から端までつなげた長さに相当します。この巨大な施設では、粒子がほぼ光速まで加速され、高エネルギーの衝突が発生します。 CEPC は、そのサイズだけでなく、効率性と精度においてもユニークです。この実験では、毎年何百万個ものヒッグス粒子が生成される可能性があり、科学者はこの謎の粒子の特性を前例のない精度で測定できるようになる。

CEPC チーム、国際諮問委員会、および CEPC 概念設計レポートの国際レビュー委員会の一部メンバーの集合写真

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

さらに嬉しいのは、すべてが順調に進めば、CEPC は 2027 年に建設が開始され、完成までに約 10 年かかると予想されていることです。これは、欧州の将来円形加速器（FCC）計画よりも少なくとも数年早く完成することを意味し、中国はこの技術競争で優位に立つ可能性が高い。

課題と機会が共存する：世界クラスの科学研究プラットフォームの構築

しかし、CEPCの壮大な計画を現実のものにするのは容易ではありません。このような大型で高度な装置を構築するには、多くの最先端技術の進歩が必要です。超伝導磁石から精密制御システムまで、各コンポーネントには極めて高い精度と安定性が求められます。それは超精密な時計を組み立てるようなもので、すべての部品が完璧でなければなりません。

エンジニアリング上の課題も同様に巨大です。長さ100キロメートルの地下トンネルを掘るには、複雑な地質条件と環境への影響を考慮する必要があります。現在、秦皇島、長沙、湖州の3つの都市がCEPCの立地選定権を争っており、それぞれの立地には独自の利点と課題がある。

CERN LHC衝突型加速器トンネル内部

(画像出典: Wikipedia)

こうした課題にもかかわらず、CEPC プロジェクトには大きなチャンスも存在します。これにより、超伝導技術から精密製造まで、多くのハイテク分野における中国の発展が促進され、中国に大きな利益をもたらすことになるだろう。さらに重要なのは、中国のために世界クラスの科学者やエンジニアを多数育成し、将来の科学技術革新のための強固な人材基盤を築くことです。

将来的には、CEPC プロジェクトが順調に実行されれば、人類が宇宙を理解するための新たな窓が開かれることになるだろう。 CEPC プロジェクトは間違いなく大胆な技術的冒険ですが、未知の世界を探求する勇気ある精神こそが人類の文明を前進させる原動力なのです。結果がどうであろうと、この壮大な計画を提案し推進する中国の勇気は、科学技術大国としての野心と責任を示している。中国製のこの巨大な「顕微鏡」が、宇宙のさらなる秘密を解明するのに役立つことを期待しましょう！

参考文献:

1. ネイチャー、中国は2027年に世界最大の粒子加速器の建設を開始する可能性

2. 王一芳、科学の夢を実現するために大型加速器を建設