神の粒子の探求

イリノイ州の平原の地下には、物質を最も基本的な部分にまで細かく砕くために設計された巨大な機械が埋まっている。これは粒子加速器と呼ばれ、1,000 個の巨大な超伝導磁石、700 人の科学者とエンジニア、そして 1 日 24 時間、週 7 日間稼働し続ける年間 1,000 万ドル以上の電気代に依存している。

この加速器には、ジュネーブ郊​​外のアルプス山脈の麓に双子の加速器がある。そして、これらの巨大な装置の研究者たちは、1 つのひたむきで、あり得ない目標を共有している。それは、とらえどころのない物質の粒子を探しているということだ。彼らが探している対象は、想像を絶するほど小さく、物理学の世界以外ではほとんど誰も聞いたことがないほど知られていない。それでも、賭け金は大きい。最初にそれを見つけたグループがノーベル賞を受賞する可能性が高いのだ。

こうしたすべての調査の中心にあるのは、ヒッグス粒子として知られる素粒子です。ノーベル賞を受賞した物理学者レオン・レーダーマンは、ヒッグス粒子を「神の粒子」と呼んでいますが、この神の比喩は、まったく根拠のないものではありません。ヒッグス粒子が本当に存在し (まだ疑問が残っています)、それが特定できれば、科学者は、かつては哲学者と狂人だけが尋ねていた疑問に答えることになるでしょう。物体はなぜ重さを持つのか? さらに、ヒッグス粒子の目撃は、物理学の基盤全体を揺るがす可能性があります。それは、誰も想像したことのない粒子や、既知の法則に反する力の存在を示唆するものです。多くの研究者は、「新しい物理学」が間近に迫っていると信じており、ヒッグス粒子がその導き手となることを期待しています。

一見すると、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）は、宇宙の出来事が起こりそうな場所には見えない。シカゴから西に1時間足らずのところにある6,800エーカーの広大なキャンパスに入ると、まず目につくのは何もないことだ。このエリアは、いくつかの工業ビル群と歩き回るバッファローの群れを除けば、奇妙なほど不毛だ。ここに宿る力の唯一の痕跡は、平原から20フィートもの高さにそびえ立つ、周囲4マイルの巨大な土の輪だ。

このループは、円形の地下トンネル、テバトロンと呼ばれる粒子加速器の輪郭です。テバトロンは非常に大きいため、従来の意味での機械ではなく、風景の一部です。その目的は、陽子ビームと反陽子ビームをできるだけ速く反対方向に移動させることです。高出力テバトロンでは、速いとは光速の 99.99999 パーセントを意味します。陽子と反陽子は、幅がわずか数インチのチューブ内を循環します。トンネルの残りの部分は、ワイヤー、通路、および超伝導磁石に液体ヘリウムを運ぶ 15 マイルのパイプで満たされています。

陽子ビームと反陽子ビームが高速で進むと、激しい正面衝突に至ります。陽子が反陽子にぶつかると、純粋なエネルギーの爆発で互いに消滅します。その結果生じる破片には新しい粒子が含まれることが多く、その 1 つがヒッグス粒子である可能性があります。

テバトロンの巨大なリングには、3階建ての家ほどの大きさの2つの検出器が点在している。陽子と反陽子の衝突は検出器内で起こるようにタイミングが調整されており、検出器には配線、シリコン検出器、マイクロチップのネットワークが組み込まれており、合計5,000トンの電子機器が使われている。2つの検出器の役割は単純明快だ。衝突ごとに粒子の飛散のスナップショットを撮るのだ。かなり単純に聞こえるが、テバトロンの検出器では毎秒250万回の衝突が起きている。そして、何十億回に1回だけの衝突でしか、待望のヒッグス粒子が生成される可能性はない。

「これらの機械は、簡単に言えば顕微鏡です」とフェルミ国立加速器研究所の理論物理学者、クリス・ヒルは説明する。私たちは、イリノイ州の起伏のある平原とシカゴから西に広がる新興住宅地が交わる地点を見下ろすヒルのオフィスに座っている。ヒルの質素なオフィスには、コンピューターのプリントアウト、古い数学の教科書、チョークの切れ端がごちゃ混ぜになっている。彼と彼の同僚が宇宙に隠された秩序を解明しようと決意していることを考えると、皮肉にも乱雑な環境だ。
物理学者は、過去 100 年ほどの間に、宇宙の秩序化に向けて大きな進歩を遂げてきました。まず、原子が私たちの身の回りのあらゆるものの構成要素であると判断し、次に原子をどんどん小さな断片に分割し始めました。最初に登場したのは電子で、前世紀の変わり目に JJ トムソンの英国の研究所から誕生しました。その後数十年経って陽子と中性子が続きました。これら 3 つの粒子がさまざまな組み合わせで結合して、周期表の 118 元素すべてを形成します。

しかし、よく見てみると、陽子、中性子、電子が単独で作り出せるよりもはるかに複雑な構造が明らかになりました。1929年、アーネスト・O・ローレンスは、直径わずか5インチの円形粒子加速器を初めて製作しました。この魅力的な新ツールに感激したローレンスは、それを使って、未踏の広大な亜原子スケールの領域を探索し始めました。科学者たちはすぐに新しい粒子を発見しました。ミューオンなど、電子に関連するものもあれば、クォークなど、後に陽子と中性子を構成する粒子であることがわかったものもあります。これらの新しい粒子は世界中で食い合いを引き起こし、物理学者たちは亜原子の世界を徐々に深く探るため、ますます大きな加速器を建造し始めました。フェルミ国立加速器研究所とCERN（ジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機構）は、この分野の2大重鎮として登場し、それ以来交互に発見を続けています（「亜原子スコアカード」を参照）。

最終的に物理学者たちは標準モデルと呼ばれる理論を構築し、それは今日でも有効です。標準モデルは宇宙の基本的な要素をすべて列挙し、それらの相互作用を支配する法則を説明しています。世界のトップクラスの何千人もの頭脳による 100 年にわたる努力の集大成である標準モデルは、宇宙の基本的な構成要素を T シャツに収まるほど基本的な一連のルールにまで縮小します。それはまさに物理学者が好む種類の秩序と単純さです。「この混沌とし​​た世界には、結局のところ、非常に少ないものしかありません」とフェルミ国立加速器研究所の実験物理学者ハリー・ウィーツは断言します。

しかし、落とし穴がある。標準モデルはヒッグス粒子が存在するはずだと予測している。ヒッグス粒子がなければ、宇宙のすべては無重力になる。宇宙を光速で飛び回っているので、星も惑星も人間も存在しない。「宇宙にあるすべてのものの質量はヒッグス粒子から得られる」とヒルは説明する。欧州原子核研究機構（CERN）の実験のスポークスマン、ピーター・ジェニによると、物理学者は、普通の人には十分に明白と思われる「物には質量がある」ことを説明するためにヒッグス粒子を必要としている。
しかし、ヒッグス粒子の発見は困難を極めました。ヒッグス粒子は、他の多くの素粒子とは異なり、通常は独立した粒子として現れません。その代わりに、通常はエーテル場、つまり全空間に広がる目に見えない蒸気の形をとります。

宇宙の最も遠い場所を占めるヒッグス場があるのと同じように、今あなたの鼻とこのページの間にもヒッグス場が存在します。

ヒッグス場は、ある粒子に対して他の粒子よりも大きな抵抗を及ぼす。粒子がヒッグスの影響を大きく受けるほど、その粒子の重さ、つまり質量は大きくなる。ヒル氏はヒッグス場を海に例え、海流によって一部の生物は動きにくくなるが、他の生物はそうでないと説明する。「たとえば、動きが遅いクラゲがいるとします」とヒル氏は説明する。「これは、知られている中で最も質量の大きい粒子であるトップクォークの類似体のようなものです。対照的に、非常に軽い粒子である電子は、「飛び回れる小さな魚のようなものです」。ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの物理学者デビッド・ミラー氏は、ヒッグス場について別の比喩を使っている。それは有名人だ。マドンナがゲストとして来ているパーティを想像してみてほしい。大勢のファンが騒がしいため、彼女は自由に動き回ることができない。マドンナは、ヒッグス場によって優先的に減速される重い粒子に相当する。一方、パーティー常連客は軽い粒子のようなもので、彼女を引きずり下ろすパパラッチもいないので、ビュッフェまで楽々とまっすぐ行くことができます。

ヒッグス粒子を見つけるには、まずヒッグス場からそれを引き出さなければなりません。雲が条件が整った場合にのみ雨粒を形成するのと同様に、ヒッグス粒子は十分なエネルギーが存在する場合にのみヒッグス場から凝縮します。粒子加速器が陽子と反陽子を想像を絶する速度まで加速するのはそのためです。小さな空間にできるだけ多くのエネルギーを集中させるためです。

粒子加速器内で陽子と反陽子が衝突するたびに (このような衝突は毎秒 250 万回という驚異的な速度で発生します)、その爆発は Tev​​atron の 2 つの検出器 (CDF と D (ディーゼロと発音) と呼ばれます) によって検出されます。検出器内の電子センサーは基本的な瓦礫をふるいにかけ、最終的に衝突イベントの多くを破棄し、後で分析するために最も優れたものだけを選択します。

CDF チームのリーダーであるフランコ・ベデスキ氏は、素粒子物理学者ならではの控えめな表現の才覚で、このプロジェクトを「大規模」と表現しています。実際のところ、衝突ごとに生成される多数の新しい粒子を検出、識別、追跡する作業は、熟したトマトを積んだトラックが時速 50 マイルで急ブレーキをかけた際に飛び散る果肉を追跡するようなものです。これは複雑で面倒な作業です。複雑なコンピューター プログラムが、何年にもわたる数兆回の衝突を比較対照し、データに異常な傾向がないか調べます。

科学者がヒッグス粒子を捕らえることができたら、何を見ることになるのでしょうか。この分野の他のことと同様、それは簡単なことではありません。衝突そのものはコンピューター画面で「見る」ことができます。衝突はそれぞれ、中心点から飛び出す線の絡み合ったように見える画像に変換されます。しかし、ヒッグス粒子はこれらの衝突スナップショットのいずれにも現れません。なぜなら、ヒッグス粒子は現れるとすぐに蒸発して、ボトムクォークと呼ばれる一対のエキゾチックな粒子になってしまうからです。ヒッグス粒子ハンターにとっては残念なことに、ボトムクォークは他のさまざまな方法でも生成できます。しかし幸いなことに、ヒッグス粒子によって生成されるボトムクォークは特定のエネルギーレベルを持っています。したがって、物理学者のコンピュータープログラムが約500兆回の衝突の残骸をふるいにかけ、認識可能なヒッグスエネルギーシグネチャを持つボトムクォークの急増を発見したときに、エウレカの瞬間が訪れるでしょう。

ヒッグス研究者が直面しているのは、不可解な物理法則だけではない。研究者同士の争いでもある。昨年末、CERN の科学者たちは、ヒッグス粒子がすでに粒子加速器で生成されたという興味深いヒントを発見した。確認するにはさらにデータが必要だったが、CERN は待望のアップグレードのために閉鎖寸前だった。それはジレンマだった。閉鎖を続けるということは、CERN が計画している新しい加速器、大型ハドロン衝突型加速器の建設を遅らせることを意味する。閉鎖するということは、フェルミ国立加速器研究所にその分野を開放することを意味する。CERN の所長は閉鎖を選択した。

CERN の大型ハドロン衝突型加速器は、少なくとも 2006 年までは稼働しないが、フェルミ国立加速器研究所のテバトロンの 7 倍のパワーがあり、毎秒 100 倍の衝突を起こす。「これは小さな漸進的なステップではなく、本当に新しい巨大なステップです」と CERN のピーター・ジェニは言う。フェルミ国立加速器研究所のハリー・ウェルツは、この将来の装置のパワーについてもっと率直に語り、「LHC が今稼働しているなら、CDF と D の電源を入れる価値はないだろう」と認めている。

しかし、フェルミ国立加速器研究所が 2006 年までにヒッグス粒子を捕らえるにせよ、あるいは CERN が後から捕らえるにせよ、本当の問題は、その見返りは何か、ということだ。ヒッグス粒子は質量を説明する以上の役割を果たすと期待されている。物理学者たちは、ヒッグス粒子が 21 世紀の物理学のまったく新しい基盤を指し示すことを期待している。予想される方向性の中には、標準モデルのかなり単純な拡張もあるだろう。他の方向性は、まったく奇抜で、標準的な 3 次元に加えてさまざまな次元の存在や、多数の新しい粒子の存在を仮定している。そして、20 年後の物理学がどうなっているか、誰にもわからない可能性も常にある。

しかし、科学者たちは疑問を抱き続ける。そしてヒル氏や他の多くの人々にとって、魅力的なヒッグス粒子は多くの答えを握っている。ヒッグス粒子が教えてくれることは単純だ、とヒル氏は言う。「これから先の物理法則は何か？」

物理学者はどのようにヒッグス粒子を探すのか

1. 陽子は水素原子から分離され、その後加速して
メインインジェクター。

2. 一部の陽子はターゲットホールに向けられ、ニッケル金属の樽に発射されます。
結果として生じる破片のごく一部は反陽子で構成されており、これは除去されます。

3. 反陽子はメインインジェクターに送り込まれ、陽子と反対方向に循環します。両方とも速度を上げます。

4. 陽子と反陽子がテバトロンに入ります。

5. テバトロンの超伝導磁石は陽子と反陽子を最高速度まで加速し、検出器の 1 つ内の衝突点に向けて集中させます。

6. 検出器は衝突によって生成された新しい粒子のスナップショットを撮ります (挿入図を参照)。そのデータはコンピューター群に送られ、コンピューターは数兆回の衝突をふるいにかけてヒッグス粒子を見つけます。