未知の宇宙を切り開く

陽子は永続的な存在です。最初の陽子はビッグバンのわずか 0.00001 秒後に宇宙の混沌とした泡から結晶化しました。このとき、存在は太陽系ほどの大きさの空間に押し込まれました。残りの陽子もすぐに続きました。陽子の大部分は、その間の 138 億年を変化なく生き延びてきました。電子と結合して水素ガスを作り、恒星の中で核融合してより重い元素を形成しましたが、その間ずっと陽子のままでした。そして、今後数十億年も陽子のままであり続けるでしょう。つまり、ジュネーブ空港から数マイル北にあるスイスの小さな町メイランの地下 300 フィートの水素ガスタンクで待機している不運な少数を除いて。それらの陽子は、困った状況にあります。

これを読んでいる頃には、強力な電界が水素ガス内の陽子から電子を剥ぎ取り始めているだろう。電波がむき出しで帯電した陽子を前方に押し出し、宇宙で最も印象的な一連のチューブの最初のチューブを通って加速する（インターネットなんてどうでもいい、スティーブンス上院議員）。この大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のチューブの目的はただ1つ。これらの陽子にこれまで以上に多くのエネルギーを注入し、アインシュタインの超えられない宇宙の速度限界に迫ることだ。

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そして突然停止します。2,700 万ポンドのシリコンとニオブとチタンの超伝導コイルでできたケージの中央で、1 個の陽子が正面から衝突します。そして、存在が停止します。これらの陽子は、非常に大きなエネルギー、非常に集中した力で衝突するため、変化します。ミューオン、ニュートリノ、光子に変化します。これらはすべて、私たちの目的からすると、ジャンクです。しかし、1 兆回の衝突に 1 回程度、誰も確実には知りませんが、これまで観測したことのないものに変化するはずです。これらの陽子、高速列車のエネルギーを運ぶこれらのナノスケールの物質の粒子は、仮想世界に手を伸ばし、そのエネルギーの一部を再び持ち帰ります。

それらが何になるかについては、ある程度の推測ができます。それらは、ヒッグス粒子と呼ばれる失われた粒子に変わるかもしれません。そうすれば、実際の観測を通じて、これまで知られているすべてのものを説明する宇宙の標準モデルが完成するでしょう。あるいは、それらは暗黒物質に消えて、数十年にわたって宇宙が起源と組成の不明な質量で満たされていることを観察してきた天文学者の要求を満たすかもしれません。あるいは、そしてこれが誰もが本当に望んでいることですが、これらの変化する陽子は私たちの想像を絶するでしょう。それらは私たちに予期せぬもの、予想外のもの、（一時的に）理解できないものを見せてくれるでしょう。謙虚な陽子は、おそらく私たちを驚かせるでしょう。

ウサギの穴に落ちる

「昨日、網膜スキャナーが作動しました」と、LHC の本拠地である欧州原子核研究機構 (CERN、フランス語の略称) の素粒子物理学者、スティーブ・ゴールドファーブは警告する。「これがうまく行くことを願っています」。彼がセキュリティロックを踏むと、電話ボックスの緑色のドアが彼の後ろでスライドして閉まった。壁に取り付けられたスキャナーが、彼の眼球の裏の血管のパターンを、入場を許可された人のデータベースと照合する。このシステムにより、すべての人が追跡され、ミッションコントロールは誰がトンネルに降りるかを正確に把握できる。1 か月後には、トンネルに降りることはまれになるだろう。1 か月後には、ビームがオンになっているだろう。

入場許可。私たちは、T シャツと汚れた作業ズボンを着たずんぐりした体格の請負業者たちと一緒にエレベーターで待ちます。ポーランド語とフランス語でつぶやき、記者のメモ帳を警戒して見つめ、訪問者用に用意された赤いヘルメットをかぶります。それからエレベーターに乗り込み、-1 階のボタンを押します。私たちはアトラスに向かいます。検出器。センター。物理学者にとって何万年もの歳月をかけた共同作業がまだ終わっていないことが、コンクリートの廊下を抜けてすぐにわかります。鋼鉄をハンマーで叩く最初の鋭い音が部屋中に響き渡ります。まだ完成していません。

ノートルダム大聖堂の内部によく例えられるが、この部屋はゴシック様式の聖域というよりは、宇宙船エンタープライズ号のフェイザー室に似ている。中央にはシリコンと鋼鉄でできた高さ 80 フィート、重さ 1,500 万ポンドの麺棒が置かれており、今にも発射の準備が整っているように見える。ただし、ここでは発射が逆順に行われる。1 か月後、液体ヘリウムが磁石を絶対零度より 1.9 ケルビン高い温度 (華氏 -456 度) まで冷却すると、光速に近い速度の陽子ビームが外へではなく内へと飛び込み、検出器の中心で出会う (フランスの田舎の 5 マイル先に、同様に感度の高い別の検出器 CMS がある。2 つのグループは互いの作業を再確認し、どちらが先に何を発見するかについて、ちょっとした友好的な競争を行う予定)。衝突により、高速で移動するエネルギーがすべて極小の空間に集中する。そして、その純粋なエネルギーの球はまったく別のものに変わる。「アインシュタインの

E = m2

「そうすれば、利用可能なエネルギー量よりも質量の少ない粒子を作ることができます」と、オランダのユトレヒト大学の物理学教授でノーベル賞受賞者のマルティヌス・フェルトマン氏は言う。エネルギーは質量になる。一言で言えば、これが陽子が高速で移動する必要がある理由だ。エネルギーが高ければ高いほど、LHCはより重い粒子をエーテルから呼び出すことができる。そして、より重い粒子が興味深い粒子だ。重い粒子は新しいものだ。

闇は倍増する

宇宙の成り立ちについてわかっていることは、次のとおりです。陽子や電子など、ありふれた物質があります。さらに、光子や重力子など、力を伝達する物質もすべてあります。重力子は重い物体を引き寄せます。これが宇宙、つまり物質と力です。物理学者は過去 60 年ほどかけて、すべての物質粒子と力粒子がどのように相互作用するかを詳細に解明してきました。その研究の成果は素粒子物理学の標準モデルと呼ばれ、素粒子物理学者なら誰でも、これは人類史上最も成功した理論であり、実験結果を 1 兆分の 1 の精度で予測できるほど強力だと言うでしょう。

しかし、標準モデルは全体像ではないことはほぼ間違いない。素粒子物理学者が標準モデルの構築に忙しい一方で、天文学者や宇宙学者は別の仕事、巨大な宇宙計算プロジェクトに取り組んでいる。彼らが見ているもの、あるいはもっと正確に言えば見ていないものは、天と地には博士号を持つ人々が夢見るよりもはるかに多くのものがあるという明確な兆候である。

外に出て、すべての星や銀河、超新星などを数え上げれば、宇宙にある質量の総量は概算できるはずです。しかし、別の方法で質量を推定すると、たとえば銀河の回転速度を見る（銀河の質量が大きいほど、回転速度が速くなります）か、銀河が大きなグループにまとまっている様子に注目すると、宇宙の質量は私たちが目にできるよりもはるかに大きいという結論に達します。最新の計算によると、その質量は私たちの約 5 倍です。目に見えないため、私たちはこれを暗黒物質と呼んでいます。

問題は、これらの未知のダークマター粒子について、標準モデルには列がないことだ。もう 1 つの問題は、標準モデルを考案した人々でさえ、標準モデルがすべてだとは考えていないことだ。「この理論は多くの新しい疑問を提起するため、何らかの点で不完全であると確信しています」と、標準モデルに関する研究で 2004 年にノーベル賞を受賞したデイビッドグロス氏は言う。確かに、このモデルは実験の結果を正しく予測する。しかし、物理学者が望むほど深い意味では、このモデルは美しいものではない。

標準モデルを機能させるには、多くの微調整が必要です。これは物理学者にとって不快な言葉です。なぜなら、すべてがうまくいくようにするために、多くの小さな変数を恣意的に微調整することを意味するからです。物理学者は、すべてが自然にバランスをとる方がはるかに良いと主張します。イリノイ州フェルミ国立加速器研究所の物理学者ダン・フーパーは、彼の新しい本「Nature's Blueprint」で、「私たちが理解している標準モデルは結局のところ不安定であり、崩壊を防ぐための新しいメカニズムが切実に必要です」と結論付けています。

超対称性という、驚くべき「メカニズム」が登場します。超対称性は、すべての粒子は物語の半分に過ぎず、すべての粒子には隠れた双子がいると仮定します。宇宙が物質と力に分かれていることを覚えていますか? 超対称性の核となる考え方は、すべての物質粒子には双子の力を伝える粒子があるということです。逆も同じです。すべての力粒子には物質でできた双子の粒子があります。ある意味では、物質と力は同じものの 2 つの現れです。

これは実際どのように機能するのでしょうか? 電子はセレクトロン (超対称電子) を生じ、光子はフォティノ (聞かないでください) を生み出します。それぞれの粒子は双子よりも重く、自動的に標準モデルのバランスを取り、微調整は必要ありません。しかし、おそらくもっと重要なのは、これらの粒子が存在するとしたら、これまで見えなかった暗黒物質である可能性が高いということです。宇宙にはスクォーク、ウィノ、ニュートラリーノがあふれており、これらの超対称粒子は「通常の」粒子の 5 倍の重さで、ありふれたものです。宇宙論と素粒子物理学が出会うのです。

もちろん、これが意味を成すためには、まず LHC が超対称粒子を見つける必要があります。そしてここに落とし穴があります。LHC が超対称粒子 (たとえば、ニュートラリーノを作るのに十分なエネルギーを持つ 2 つの陽子が集まる) を生成したとしても、その粒子は目に見えません。その粒子は検出器の壁を通り抜け、地殻に落ちて宇宙空間に戻ります。目に見えないということは、通常の物質と相互作用しないという意味であり、通常の物質は検出器を構成できる唯一の物質です。

それで何が起こるのでしょう？どうやってわかるのでしょう？そうですね、私たちは非常に注意深く観察します。2つの陽子が集まると、粒子のシャワーが発生します。そのほとんどは通常の粒子で、検出器がこれを捉えます。次に、科学者は失われたものを探します。「最も重要な手がかりが吠えない犬であるシャーロックホームズの物語に少し似ています」と、CERNの理論家ジョン・エリスは言います。一方方向に大量の物質が出た場合、反対方向にも同じ量の物質が出ているはずです。これは運動量保存の法則です。持っているものを数え、それを最初の量から引くと、ほら、暗黒物質をちらりと見ることができるかもしれません。少なくとも、暗黒物質が存在しないことがわかります。

データ中毒者

アトラスが収まっている洞窟に戻ると、物理学者でツアーガイドのスティーブ・ゴールドファーブが、床から 50 フィートの高さにあるガントリーの上に立ち、衝突で発生したばかりの仮想粒子の想像上の軌跡を空中に描いています。「このような巨大な検出器を建設する目的は、非常に正確な線を描けるようにすることです」と彼は言います。彼が描いた線は、部屋を横切ってカーブを描いています。

アトラスとCMSはどちらも非常に強力な磁場を発生するため、「ここにバスを乗り入れて磁場をオンにすると、バスを押しつぶしてしまうでしょう」と、翌日CMSを案内してくれたマサチューセッツ工科大学の大学院生フィル・ハリスは言う。（大学院生は、このような巨大なプロジェクトでは何でもこなす雑用係とみなされている。ハリスの友人で、同じくMITの大学院生のピーター・エヴァラーツは、彼らの主な仕事の1つは「[検出器に]降りて、接続不良を示すかもしれない点滅するライトを探すこと」だと私に話してくれた。一方、ハリスは、データを機器から出し入れする何千ものケーブルを追跡するデータベースの構築に何ヶ月も費やしてきた。LHCは、アメリカの最も優秀な人材がケーブルにラベルを付ける場所だ。）

バスクラッシュは、その驚くべき性能にもかかわらず、ここでは議題に上がっていない。むしろ、これらすべての超伝導磁石の目的は、すべてを曲げることである。2つの陽子が衝突すると、それらが作り出す破片のシャワーには、検出器のケーブルとは異なり、ラベルが付いていない。ハリスとエヴェラーツ、そしてCMSに取り組む他の2,000人の科学者は、それぞれの粒子が何であるかを解明する必要がある。磁場は荷電粒子の進路を曲げるので、それぞれの粒子がどれだけ曲がっているか、どれだけの速度で進んでいるかを測定し、その電荷と質量を推測することができる。「すべてを理解する必要がある」とハリスは説明する。「どこにあったか、どれだけの運動量、どれだけのエネルギーか」。そして、それを1秒間に6億回、衝突ごとに飛び出す何百もの粒子について何度も繰り返す。

すると、今度は、データ過多というちょっとした問題が浮上する。「私たちは毎日、ワールドワイドウェブに相当するデータを生成します」と、ヘルメットを後ろ向きにかぶり、ズボンを腰から 6 ～ 8 インチほど下に履いた、興奮気味の 25 歳のハリスは言う。エヴェラーツは目を上に向け、明らかに頭の中でハリスの自慢の裏にある計算を確認している。「ええ」と彼は厳粛に言う。「ウェブは急速に成長していますが」

LHC のような大規模 (ただし有限) な土木工学プロジェクトを 10 年で着手するのは一つのことですが、毎日新しい Google を構築するのはまったく別のことです。「CERN がすべてのコンピューティングコンポーネントを提供するのは不可能です」と、LHC コンピューティンググリッドのリーダーであるイアンバードは言います。その代わりに、科学者たちは余分なデータをすべて取り除く 2 つの方法を考え出しました。

幸いなことに（あるいは、見方によってはそうではないかもしれませんが）、機械が収集するデータのほとんどはジャンクデータです。古いニュース、ずっと前に発見された粒子、十分に研究された現象などです。検出器の電子機器は、興味深くない衝突をすべて排除しますが、これは生データの約 99.99997 パーセントに相当します。

残りの毎秒200回の衝突は、上の階にあるメインの計算センターへと送られる。この計算センターは、ラックマウント型のコンピュータが何列にも並ぶ倉庫のような場所だ。ここは、LHCの用語で「Tier 0」と呼ばれる。ここから、専用の光ファイバーケーブルが、データのコピーを世界中の11の計算センター、いわゆるTier 1へと送信する。（このケーブルは、数年前に耳にしたことがあるかもしれない有名な「Internet2」を構成している。つまり、科学者がこれらの回線を使用できるのであって、あなたではないということだ。）次に、Tier 1のコンピュータがデータを調整し、数百のTier 2計算センターに配信する。これらは個別のサーバーファームであり、ケンブリッジ大学、バークレー大学、大阪大学などの大学に分散している10万台のPCだ。ここでひらめきの瞬間が起こる。分散システムを使用することで、フランスの村の地下で起きた衝突が地球全体に広がり、1万人の頭脳で精査される。磁石やシリコンと同じように、この構造によって不可能なことが実現されるのです。

すべてを知る

科学の歴史は傲慢の歴史です。私たちは自然界をほぼ解明したと考え、理論は非常にしっかりしていると考えています。しかし、誰かが無邪気な小さな実験を行い、誰もが驚くことに、計り知れない事実を明らかにします。科学者が LHC で行っているように、自意識過剰に未知の世界を求めているのはかつてありませんでした。標準モデルは世界を説明する上で数え切れないほどの成功を収めていますが、それが宇宙のすべてであるとは誰も考えていません。物理学者は、私たちの手の届かないところにもっと多くのものがあることを知っています。「私は実験で探すものについて考えます」とジョン・エリスは言います。「そして、何か違うものが見つかることを願っています。」

「私たちはみな、自分たちがどこから来て、この世界にどのように適合しているかを知りたいと思うと思います」と、カリフォルニア大学バークレー校の宇宙学者で2006年のノーベル物理学賞を受賞したジョージ・スムートは言う。「しかし、私たちの中には、すべてが非常に詳細にどう機能するかを知る必要がある人もいます。」 LHCの建設に14年の歳月と100億ドル、1万人の人員が費やされたことは、人間の好奇心、つまり、自分たちがどこから来て、この世界にどのように適合しているかを探るためにどれだけの労力を費やす用意があるかの単純な尺度とみなすことができる。超対称性が真実かどうかがなぜ重要なのか、暗黒物質を見つけることがなぜ重要なのか疑問に思うかもしれない。しかし、宇宙を理解することは力である。「物理法則を知っていれば、何ができて、何ができないかがわかります」と、ノーベル賞受賞者のゲラルドゥス・トホーフトは言う。「物理法則を知っていれば、未来を見ることができます。」