LHC の後: 素粒子物理学における次の本当に大きな実験

大型ハドロン衝突型加速器はヒッグス粒子を発見するのにたった 3 年しかかかりませんでしたが、大型ハドロン衝突型加速器の建設には 20 年近くかかりました。高エネルギー物理学は光の速さで進行しますが、その基礎にある実用性は官僚主義、資金要求、そしてコンクリートの固まりと同じ速さで変化します。そのため、物事を前進させるために、世界中の物理学コミュニティは高エネルギー粒子物理学の次の大きなものを常に構想し、再構想しています。それは、人類がこれまでに作成した最大かつ最も高価な科学実験さえも凌駕するほど大きなものです。

先月、ポーランドのクラクフで開かれた会議で、私たちはこれらの次の大きな出来事を垣間見た。今月初めに開催された CERN の欧州戦略準備グループ シンポジウムには、ヨーロッパと世界各地から素粒子物理学者と科学政策立案者が集まり、物理学コミュニティの現在および将来のニーズを検討し、さまざまな将来の可能性について議論した。現時点では、2 つのことが確実に思える。LHC はまだどこにも行かないが、最終的には LHC に代わる、より大きく、より強力な装置が必要になるだろう。

「LHC は今後も稼働を続け、今後 15 年から 20 年にわたり、ヒッグス粒子の解明を中心に、素粒子物理学プログラムの非常に大きな部分を占め続けるでしょう」と、戦略シンポジウムの出席者でマンチェスター大学の物理学教授、テリー・ワイアット氏は語る。「この会議で明らかになった主な合意点の 1 つは、LHC を高輝度 LHC と呼んでいるものにアップグレードすることで、2030 年頃まで作業が続くという点でした。」

これらのアップグレードには、2022年頃に現在のLHC加速器リング磁石をより新しく強力な磁石に交換することが含まれ、実質的には既存のLHC設置面積内にさらに強力な加速器が作られることになる。これにより、研究者は次の10年の終わりまで、スイスとフランスの国境の下で世界最先端の物理学を継続することができる。これはまた、物理学者がLHCと同じくらい大規模で野心的な別の実験に着手し、LHCの運用が終了する2030年頃までに粒子の衝突を開始できるようにしたいのであれば、実際にはすでに設計段階に深く入り込み、着工の準備をしている必要があることを意味している。彼らはそうしていないが、そのことについて話していることは間違いない。シンポジウムではまた、誰もが考えている疑問、「次は何なのか？」についても議論された。

「2035年に稼働を開始するかもしれない新しい加速器を本気で考えているなら、今行動を起こさなければなりません」。ワイアット氏はイリノイ州フェルミ国立加速器研究所のテバトロン衝突型加速器におけるDZero実験の元リーダーで、現在はLHCのATLAS実験に取り組んでいる。また、LHC実験委員会の元委員長でもあり、CERNの研究委員会のメンバーでもあり、現在はCERNの科学政策委員会のメンバーでもある。つまり、ワイアット氏は世界中の高エネルギー粒子物理学の可能性についてかなりの時間をかけて考えてきたということであり、クラクフの戦略セッションでは、 「次のステップの施設」と題した講演を行ったのもワイアット氏だった。その中で同氏は、既存のLHCの3倍の大きさとなる全長50マイルの加速器リングの提案から、線形電子陽電子衝突型加速器やミューオン衝突器まで、LHCよりもはるかに高い衝突エネルギーを実現できるあらゆることについて触れた。物理学自体と同様に、可能性は数多くありますが、政府の資金を確保し、数十年にわたる建設プロジェクトに着手しようとしている場合には、必ずしも好ましいとは限りません。

高エネルギー物理学コミュニティに明確な前進の道筋がないのは、単に資金不足や官僚主義の惰性によるものではない (少なくとも、それだけではない)。LHC はヒッグス粒子の表面をかすめたばかりで、設計された最大衝突エネルギー 14 テラ電子ボルト (TeV) の半分にしか達していない。高輝度 LHC は前身の LHC の約 10 倍のデータを生成する予定で、物理学者はそのデータから多くの新しい発見が生まれ、それが次の高エネルギー粒子加速器の設計とコンセプトに影響を与えると期待している。

これは物理学者にとって一種の難問です。素粒子物理学をスムーズに前進させ続けるためには、次世代の衝突型加速器の建設を今すぐに始める必要があります。適切な次世代の衝突型加速器を建設するには、LHC からより多くのデータが必要です。そのため、その間、物理学者とエンジニアは仮説を立て、夢を描き、設計図に向かって作業に取り掛かります。

「これの問題は、これらを行うための時間スケールが非常に長いため、2035年に稼働を開始する可能性のある新しい加速器を真剣に検討する場合、今から、すでに非常に真剣に行動に移さなければならないことです」とワイアット氏は言います。「たとえば、これらの磁石の開発などの技術的および工学的課題は、非常にハイテクで、何年もかかります。そのため、人々は現在、実際に加速器で使用されるのは今後20年先になるかもしれない技術的および工学的課題に非常に真剣に取り組んでいます。」

そもそも、それらが使用されるかどうかは別問題です。ワイアット氏はこのプロセスを、自分が生きている間に完成を見ることはないとわかっていた大聖堂を設計し、建設した中世の建築家に例えています。これらの衝突大聖堂のどれが最終的に高エネルギー物理学を次のレベルに引き上げるかは、正確にはわかりません。どれかかもしれないし、私たちがまだ思いついていないまったく別のものかもしれません。ギャラリーのリンクをクリックして、今日私たちが思い描いている高エネルギー粒子衝突装置のさまざまな可能性のある未来を見てみましょう。このリストは決して網羅的ではありませんが、今日の物理学の主要なアイデアのいくつか（そして私たちにとって最も興味深いもの）を表しています。特に興味深い加速器/衝突型加速器のコンセプトを私たちが見逃していた場合は、コメントでお知らせください。