強化された大型ハドロン衝突型加速器が、これまでで最も重大な問題に挑むために復活した。

物理学の最先端は、中央ヨーロッパの地下トンネル内を光速に非常に近い速度で円を描いて疾走する亜原子粒子のビームにあります。そのビームは、反対方向に同じ速さで疾走する別のビームに衝突します。その結果生じる衝突により、他の粒子が次々と発生し、消える前に検出器によって捕捉されます。

これは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の標準的な手順だ。LHCは最近2018年以来初めて稼働し、そのビームはこれまで以上に強力になった。ジュネーブ近郊の欧州原子核研究機構（CERN）にあるLHCは世界最大の粒子加速器で、文字通り亜原子粒子を衝突させ、科学者が噴出する量子破片の噴水を観察できる巨大な装置である。

これは物理学の実験としては不必要に暴力的と思われるかもしれないが、物理学者が破壊を行うのには十分な理由がある。衝突によって、物理学者は宇宙の層を剥がし、最小のスケールで宇宙の仕組みを観察することができるのだ。

機械の背後にいる物理学者たち

LHC の名前の「大型」は誇張ではない。この衝突型加速器は、フランスとスイスの険しい国境（CERN 本部がある）の両側にあるジュネーブ郊​​外の地下 17 マイルに及ぶ磁気ループを完全に地下で作り、フランスのジュラ山脈の東斜面の影を通り抜け、また戻ってくる。

このような巨大な装置の組み立てには時間がかかった。LHCは1980年代に初めて提案され、1990年代半ばに承認されたが、2008年に初めてビームが稼働するまでに10年以上かかった。建設には47億5000万ドルがかかり、そのほとんどは欧州各国政府の財源から賄われた。

LHC は、小さな都市に電力を供給するのに十分な電力を消費します。現在のアップグレード以前でさえ、LHC の実験は 1 日あたり 1 ペタバイトのデータを生み出していました。これは 4K 映画 10,000 本以上を保存できる量です。これは CERN のコンピューター ネットワークが余分なデータをフィルターした後のことです。そのデータは、世界中のあらゆる場所から集まった何千人もの科学者のコンピューターを通過しますが、世界の一部の地域は他の地域よりもよく反映されています。

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物理学者たちが宇宙の最も根本的な疑問に答えようと努める中、時間、資金、人材が衝突型加速器に注ぎ込まれ続けています。

たとえば、質量が存在する原因は何でしょうか? この疑問に答えることに貢献したことは、LHC のこれまでの最大の成果の 1 つです。2012 年、LHC の科学者は、ヒッグス粒子として知られる長年探し求められていた粒子を発見したと発表しました。この粒子は、粒子が相互作用すると質量を与える場の産物です。

ヒッグス粒子の発見は、標準モデルとして知られる壁の最後の一撃となった。標準モデルは現代の素粒子物理学の核心であり、約12個の素粒子と、それらがどのようにうまく組み合わさって我々の目にする宇宙を生み出したかを示す概略図である。

しかし、年を追うごとに、標準モデルは基本的な疑問に答えるにはますます不十分になっているように思われる。なぜ宇宙には物質がその反対である反物質よりはるかに多いのか？目に見えず、見ることもできないように見える宇宙の巨大な部分を構成しているものは何なのか？そして、なぜ重力が存在するのか？その答えは決して単純ではない。

答えは、まだ発見されていない粒子の形で出てくるかもしれない。しかし、これまでのところ、それらは最も強力な粒子加速器でさえ発見できていない。「これまで、LHC では非標準モデルの粒子は発見されていません」と、カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の素粒子物理学者で LHC の協力者であるフィン・レバソー氏は言う。

巨大な機械のアップグレード

COVID-19パンデミックによりLHCの再開（当初は2020年に予定されていた）が中断されたが、この衝突型加速器の管理者たちは2018年以来、ただ手をこまねいているわけではなかった。一連の技術的アップグレードの一環として、彼らは衝突型加速器のビームを補充し、そのエネルギーを約5パーセント増加させた。

これはわずかな金額のように思えるかもしれない（そして、衝突回数を増やす予定の、この10年後半の高輝度LHCのアップグレードと比べれば、確かに見劣りする）。しかし、科学者たちは、それでも違いは出ると述べている。

「これは、興味深い物理学が生まれる可能性が高まることを意味します」と、ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所の素粒子物理学者でLHCの協力者であるエリザベス・ブロスト氏は言う。「個人的に好きな例としては、ヒッグス粒子のペアのイベントが10パーセント多く発生するようになるでしょう。」

標準モデルによれば、ヒッグス粒子のペアは極めて稀な現象であるはずであり、おそらくそうなのかもしれない。しかし、LHC が大量のペアを生成するとすれば、それはまだ発見されていない何かが作用している兆候である。

「これは双方にとって有利な状況です。近いうちにヒッグス対生成を観測すれば、新しい物理学が生まれることを意味します」とブロスト氏は言う。「あるいは、最終的にはLHCの完全なデータセットを使って標準モデルの予測を確認できるようになるでしょう。」

こうした機能強化により、これまで見たことのないものを観測するチャンスも生まれる。「ビットが増えるごとに、新しい現象を発見できる可能性が高まります」と、シカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学者でLHCの協力者であるボー・ジャヤティラカ氏は言う。

つい最近、観測の材料になりそうなものが 1 つ現れた。CERN からではなく、シカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所の、現在は閉鎖されている古い加速器からだった。古いデータを精査していた研究者たちは、原子内部で放射性崩壊を引き起こす原因となる粒子である W ボソンの質量が予想よりも重いらしいことを発見した。もしこれが本当なら、標準モデルを大きく覆すことになるかもしれない。

当然、素粒子物理学者たちはそれが真実であることを確認したい。彼らはすでに、過去の実験から収集したデータと、これから行う実験からの新しいデータの両方を使って、CERN で W ボソンの測定を繰り返す計画を立てている。

LHC が新たなフル稼働能力に達するまでには、おそらく時間がかかるだろう。「通常、LHC が再起動されるときはゆっくりとした再起動になるため、最初の 1 年間のデータ量はその後の年ほど多くありません」とレバソー氏は言う。そして、LHC が生成するそのデータの分析にも、衝突型加速器で働く大勢の科学者にとっても時間がかかる。

しかし、2023年には、衝突型加速器の新たなエネルギー増強を利用して、結果が見られるようになるかもしれないとジャヤティラカ氏は推測している。