『宇宙の終焉に待つ粒子』は、「標準模型」として知られるようになった理論の基本を解説し、素粒子物理学の集中講座を提供してくれます。また、捉えどころのないヒッグス粒子の発見へと至る、魅力的で胸躍る道のりを詳述しています。
この本を読むと何が得られる？ 宇宙を結びつける奇妙な構造を学びましょう。
ここ数年、ジュネーブ近郊にある欧州原子核研究機構（CERN）が開発した、畏敬の念を起こさせる大型ハドロン衝突型加速器についてのニュースを耳にしたことがあるかもしれません。しかし、それは一体何なのでしょうか？ そして、物理学者だけでなく、世界にとってなぜ重要なのでしょうか？ これらの疑問に答えるには、宇宙の機能を定義する基本原理のいくつかを理解し、素粒子物理学の基礎を学ぶ必要があります。
そして、それこそがまさに、この『宇宙の終焉に待つ粒子』で学ぶことです。あなたは原子相互作用の奇妙な世界に、極微小な粒子に至るまで深く没入することになります。また、これらの粒子が、宇宙にその形を与える方法と、これらの粒子の発見がいかに文明を進歩させてきたかという点において、なぜ重要なのかを理解するでしょう。これらの基礎があれば、CERNの科学チームが最近成し遂げた、最も捉えどころのない基本的な粒子の一つであるヒッグス粒子の画期的な発見を追いかける準備が整います。
通常の物質の構成要素である原子は、陽子、中性子、電子からできています。
このフライでは、次のことを学びます。
- なぜアンジェリーナ・ジョリーは社会的な「質量」のせいでビュッフェに絶対にたどり着けないのか
- なぜいくつかのクォークは「チャーミング」で、他は「ストレンジ」なのか
- 科学者たちがどのようにして、捉えどころのないヒッグス粒子の存在を証明できたのか
すべての原子は、その原子核の中に固有の数の陽子を持っています。これが原子番号です。この番号は、1869年にドミトリ・メンデレーエフによって初めて発表された周期表上で原子を特定するために使われます。例えば、ヘリウム原子は原子核に2つの陽子を持っているため、原子番号「2」で識別されます。一方、プルトニウムは94個の陽子（より「重い」原子）を持ち、周期表の94番に見つけることができます。1913年、ニールス・ボーアは彼の原子模型によって、原子の理解に重要な貢献をしました。彼は、電子が陽子と中性子からなる原子核の周りを、ちょうど月が地球の周りを回るように「周回」していることを発見しました。
陽子と電子は、電荷と重さという二つの重要な点で異なります。電子は負の電荷を持ち、正の電荷を持ち電子の1840倍も「重い」陽子と比較して比較的軽いです。原子は、特定の化学元素における最小単位です。しかし時には、原子同士が結合して、分子と呼ばれるものを形成することがあります。
水や二酸化炭素のような多くの一般的な物質は、実際には分子、つまり原子が結合した特定の組み合わせです。例えば、2つの水素原子が1つの酸素原子と結合すると、水分子が作られます。これは、これ以上分割できない最小の水滴と考えることができます。しかし、原子が極小であるとはいえ、科学者たちはすぐに、陽子、中性子、電子そのものの内部に、さらに奇妙で微小な世界があることを知るようになりました。
20世紀、科学者たちはレプトンとクォークと呼ばれる小さな粒子を発見しました。
原子が物質の構成要素なら、原子の構成要素は何でしょうか？ 結果として、科学者たちはさらに小さな素粒子をさらに発見しました。しかし、彼らはどうやってそんなに小さなものを発見したのでしょうか？ すべては、科学者たちが中性子がどのように崩壊するかを調べたことから始まりました。
中性子が「死ぬ」とき、それは電子を放出します。しかし、科学者たちがこれらの電子を調べたとき、放出されたエネルギーが元の中性子のエネルギーと一致しないことを発見しました。実際、彼らはより少ないエネルギーを発見し、それは、いくらかのエネルギーがどういうわけか消えてしまったことを意味していました。しかし、その残りのエネルギーはどこへ行ったのでしょうか？ 1930年、スイスの科学者ヴォルフガング・パウリがその答えを見つけました。崩壊する中性子は、電子を放出するだけでなく、ニュートリノと呼ばれる別の小さな粒子も放出していたのです。
ニュートリノと電子はどちらも、レプトンと呼ばれる軽い粒子の仲間に属します。より詳しく調べると、科学者たちは無数の異なるレプトンを発見し始めました。1936年、アメリカの物理学者カール・アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーが宇宙線を研究していたとき、彼らはさらに別のレプトン、ミューオンを発見しました。しかし、それで終わりではありませんでした。1962年、レオン・レーダーマンは、実際には2種類のニュートリノが存在することを発見しました。一つは電子と相互作用するもの（いわゆる電子ニュートリノ）、もう一つはミューオンと相互作用するもの（いわゆるミューニュートリノ）です。そして1970年代には、タウ粒子が対応するタウニュートリノと共に発見され、レプトンファミリーは合計6つの粒子になりました。
これらのレプトンと並んで、科学者たちはより重い素粒子であるクォークも発見しました。レプトンと同様に、奇妙な名前を持つ6種類のクォークが存在します。アップクォークとダウンクォーク、チャームクォークとストレンジクォーク、そしてトップクォークとボトムクォークです。これらのクォークはその電荷によって分類されます。アップ、チャーム、トップクォークはすべて正の電荷を持ち、ダウン、ストレンジ、ボトムクォークは負の電荷を持ちます。クォークは陽子と中性子の構成要素と考えることができます。周期表のすべての原子が特定の数の陽子を持っているように、各陽子は特定のクォークの組み合わせで構成されています。
私たちの宇宙は、重力、電磁気力、強い核力、弱い核力によって結びついています。
窓から飛び降りたらどうなるでしょうか？ 地平線に向かって舞い上がるでしょうか、それとも木の葉のように滑空するでしょうか？ いいえ。そうではなく、大きなドスンという音とともに地面に激突するでしょう。
これは重力のためであり、17世紀にアイザック・ニュートンによって初めて解明された現象です。重力は、宇宙にある四つの基本的な力の中で最もよく知られています。他のあまり知られていない力は、電磁気力、そして強い核力と弱い核力です。冷蔵庫にToDoリストを磁石で貼り付けたことがあるなら、あなたは電磁気力を目撃したことになります。磁石の一方の極は、別の磁石の反対の極を引き付け、同じ極同士は反発し合います。電磁気力は、原子の構造に関与しているため重要です。
負の電荷を持つ電子は、原子の正の電荷を持つ原子核に引き付けられ、それによって原子はその形を与えられています。次の力、強い核力はクォークと相互作用し、原子内部の安定性を確保し、原子が存在する理由そのものです。原子核の中の多くの陽子がすべて正の電荷を持っていることを少し考えてみてください。電磁気力は、これらの陽子が互いに反発し合い、原子核をバラバラにするはずだと示唆します。しかし、そうはなりません。各陽子の中には3つのクォークがあり、すべて強い核力の力によって支配され、結びつけられています。
実際、強い核力は電磁気力よりも約137倍強力であり、したがって原子核をまとめておくことができます。最後の基本的な力は弱い核力であり、放射性崩壊と核融合に関与しています。これが、水素原子をヘリウムに融合させることで太陽を燃やし、膨大なエネルギーを放出させ、それが光子によって太陽系全体に運ばれる原因となる力です。これらの力はすべて、私たちの宇宙を理解するために、そして実際、宇宙そのものにとって不可欠です。それらがなければ、私たちは存在し得なかったでしょう。
ヒッグス場との相互作用が、すべての粒子にその質量を与えます。
なぜあるものが他のものより重いのか、考えたことがありますか？ その答えは質量を理解することにあります。質量は、物体を押したときに感じる抵抗と考えることができます。例えば、車を坂道で押すのは、自転車を押すよりもはるかに難しいです。
本質的な違いは、車の方がより大きな質量を持っていることです。しかし、この質量は一体どこから来るのでしょうか？ それは、ヒッグス場内での粒子の相互作用から生じます。先に学んだことを思い出してください。陽子はその対応物である電子よりも大きな質量を持っています。陽子のより大きな質量はヒッグス場との強い相互作用を示し、一方、より少ない質量しか持たない電子は、ヒッグス場とのより弱い相互作用を持ちます。実際、ヒッグス場は質量が存在するために必要不可欠です。
それがなければ、すべての粒子はゼロの質量を持ち、生命は不可能でしょう。「重い」言葉ですが、それはどういう意味でしょうか？ 量子力学は、重い粒子、つまり多くの質量を持つ粒子は空間の小さな領域に押し込められる一方で、より軽い粒子はより多くの空間を占めることを示しています。粒子の質量をゼロに減らすことは、原子が相互作用して生命を維持するには大きすぎる状態になることを意味します。ヒッグス場と、四つの基本的な力（重力、電磁気力、強い核力、弱い核力）は、それ自体がボソンと呼ばれるさらに小さな粒子で構成されています。水滴が無数の水分子（無数の水素と酸素の組み合わせでできている）で構成されているのと同じように、基本的な力は無数のボソンで構成されています。
例えば、重力のボソンは重力子と呼ばれます。電磁気力を生み出すものは光子と呼ばれます。ヒッグス場も例外ではなく、独自のボソン、ヒッグス粒子を持っています。このボソンは、私たちの宇宙の構成において非常に重要な役割を果たしています。何も存在しない空の空間には影響を及ぼさない四つの基本的な力とは異なり、ヒッグス場は宇宙全体に、空の空間を含めて浸透しており、つまりヒッグス粒子は本質的にどこにでも存在するということです。
ヒッグス場を、あなたがビュッフェにたどり着くのを妨げるパーティー客の群れと考えてみてください。
クォーク、ボソン、ミューオンといった話を聞いていると、少し圧倒されてしまうかもしれません。素粒子物理学は簡単な分野ではありません。そして、世界で最も才能のある人々の中には、これらの要素がどのように連携して働くのかを解読することに一生を捧げている人もいることを忘れないでください。簡単にするために、ヒッグス場の概念に戻り、二つの類推を考えてみましょう。例えば、あなたがパーティーにいて、ゲストの一人が有村架純だと想像してみてください。
あなたと有村さんが同時にビュッフェで軽食を取ろうと決めたとします。どちらが先にエビの盛り合わせにたどり着くでしょうか？ おそらく、あなたでしょう。有村架純はおそらく、途中で話しかけようとする様々なゲストに呼び止められるでしょう。一方、人々はあなたのサインを求めて近寄ってくる可能性は低いでしょう（例えば、あなたがたまたま彼女の大ファンでない限り）。
有村架純が粒子だとすると、彼女は、ヒッグス場を表すパーティー客とのより強い相互作用のために、あなたよりも質量が大きいと言えます。あるいは、別の考え方をしてみましょう。あなたと魚が海で泳いでいると想像してください。どちらがより上手に泳げると思いますか？ 明らかに、あなたはおそらく魚の友達よりも機敏ではありません。魚の鱗は流線型で水に完璧に適しており、したがって魚は最小限の努力で海を滑るように進むことができます。
一方、あなたの肌は大きな不利をもたらします。私たちの皮膚の表面は、鱗よりも水とはるかに大きな摩擦を生み出します。あなたは努力できますが、魚ほどの優雅さでは泳げないでしょう。この例では、海がヒッグス場です。水の中を容易に滑り抜けるのではなく、水はあなたを減速させ、本質的にあなたに「質量」を与えているのです。粒子とは何か、どのように機能するかがわかった今、あなたは捉えどころのないヒッグス粒子の探索を始める準備ができています。
科学者たちは、小さな粒子についてより詳しく知るために、巨大な大型ハドロン衝突型加速器を建設しました。
2008年9月に「スイッチが入れられた」時までには、ジュネーブ郊外の大型ハドロン衝突型加速器は、科学界だけでなく世界中でかなりの話題を呼んでいました。しかし、この機械は正確には何をするのでしょうか？ 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は粒子加速器であり、粒子同士を驚異的な速度で衝突させ、科学者にその衝突を観測し結果を測定する機会を与えます。この種の実験は、宇宙がどのように始まり、構築されたかについての私たちの理解に不可欠です。
しかし、LHCはこの種の最初のプロジェクトではありませんでした。別の粒子加速器であるカリフォルニアのスタンフォード線形加速器センター（SLAC）は、タウレプトンとチャームクォークの発見に主要な役割を果たしました。全長2マイルのSLACは、万里の長城とパキスタンのラニコット要塞に次いで、世界で3番目に長い構造物です！ しかし、LHCの開設により、世界で最も強力な粒子加速器としての地位を失いました。LHCはリング状で、陽子の一部を時計回りに、他の陽子を反時計回りに循環させることで動作します。陽子が望みの速度に達すると、それらは互いに衝突させられます。
陽子があまりにも早く衝突するのを防ぐために、それらは信じられないほど強力な超伝導磁石によって決められた経路に沿って保持されます。超伝導磁石は、今度は大電流によって駆動されます。必要な電流は電線を介して送られますが、それほど多くの電力を送電すると、電線は溶ける深刻な危険があります。電線を冷却するために、LHCは華氏-456度（摂氏-235.6度）に冷却された液体ヘリウムを使用します。これらの予防措置にもかかわらず、わずかなシステムの問題でさえ、ヘリウムが加熱し、「クエンチ」を引き起こす可能性があります。
これは衝突型加速器の初期に起こりました。電気接続の不良の結果、6トンの液体ヘリウムが加速トンネル内に放出されました。幸いなことに、誰も怪我をしませんでした。このようなシステムのすべての危険性と複雑さを考慮すると、そもそも科学者たちは、巨大な原子破壊マシンを建設することで正確に何を得ようと望んでいるのでしょうか？
粒子を互いに衝突させることで、科学者たちはヒッグス粒子が存在する証拠を見つけようとしました。
2台の車が衝突すると何が起こるでしょうか？ 衝突では、車の部品（ネジ、ガラスの破片、プラスチック片）が飛び散り、通常は車のフレームの下に隠れている材料が露出します。この例は、LHCで科学者が粒子を衝突させるときに探し求めるものを示しています。その望みは、ネジやガラスの破片ではなく、2つの陽子の衝突によってヒッグス粒子が明らかになるかもしれないということです。
しかし、どのようにして？ この物語のこの時点では、ヒッグス粒子は理論上存在するにすぎません。まだその存在を確認できた科学者はいませんでした。ヒッグス粒子の探索をさらに複雑にしているのは、その短い「寿命」です。たとえLHCがヒッグス粒子を生成できたとしても、それは1兆分の1秒のさらに10億分の1しか存続できず、検出器が捉えるにはあまりにも短すぎます。したがって、LHCの科学者たちは、ヒッグス粒子が崩壊する際に放出される粒子を探すことによって、その証拠を見つけようと望みました。
これを行うために、彼らは二つの大きな実験を設計しました。一つはCMS、もう一つはATLASと呼ばれるものです。両方の実験はヒッグス粒子の証拠を探していましたが、偶発的なエラーに基づく結果の偏りの可能性を最小限に抑えるために、異なる検出メカニズムを組み込んでいました。各検出メカニズム内で、科学者たちは特定の粒子に焦点を絞るために特化された層を作成し、それらの粒子のいくつかが、捉えどころのないヒッグス粒子の存在を示唆するかもしれないという希望を持っていました。特化された最初の層は内部検出器と呼ばれ、出現する粒子の経路を可能な限り正確に記録します。
次の層は二つのカロリメータで、エネルギーの測定を担当します。第一の電磁カロリメータは光子と電子を捕らえることができ、第二のハドロンカロリメータは中性子やクォークのようなより重い粒子を捕らえます。最後の層であるミューオン検出器は、ミューオンを捕らえます。すべての技術機器が構築され、準備が整うと、科学者たちはヒッグス粒子を探す骨の折れるプロセスを開始しました。
大型ハドロン衝突型加速器の科学者たちは、2012年についに捉えどころのないヒッグス粒子を発見しました。
大型ハドロン衝突型加速器がこれらの画期的な実験を実行すると、科学者たちはついにヒッグス粒子の証拠の探索を開始することができました。最初は容易ではありませんでした。ヒッグス粒子が実際に発見されたかどうかを検証するために、科学者たちはまず、実験からの膨大な統計分析をふるいにかける必要がありました。これを行うために、彼らはデータを調べ、自問しました。「検出されたすべての粒子が、ヒッグス粒子の崩壊なしに生成された可能性はどれくらいあるだろうか？」
科学者たちは反証と呼ばれるプロセスを用いました。これは、実際に自分自身の仮説を反証しようとするプロセスです。これは科学的方法の基本的な部分であり、何かを肯定的に証明しようとするだけよりもはるかに優れています。例えば、あなたが白い白鳥しか見たことがないと想像してください。もしあなたが白くない白鳥を一度も見なければ、「すべての白鳥は白い」という仮説は当然真実に見えるでしょう。しかし、ある日、あなたは自分の目で黒い白鳥を見ます。あなたの仮説は反証され、これで確かにすべての白鳥が白いわけではないとわかりました！
ヒッグス粒子の探索において、科学者たちは、崩壊するヒッグス粒子によって生成されなかった粒子を特定することによって反証できる仮説から始めました。テストと分析の後、彼らはついに自分たちの仮説を「反証」し、粒子が発見されたと宣言することに抵抗がなくなりました。この発見は長い間待ち望まれていました。実際、2011年12月には早くも、二つのプロジェクトチームはヒッグス粒子の存在を示す証拠を発見したと発表しましたが、データは実際の発見を主張するには不十分でした。何年ものテストを経て、ヒッグス粒子が最初に理論化されてから50年以上が経ち、LHCチームはついに、2012年7月4日にヒッグス粒子が発見されたと発表するために必要な証拠を手に入れました。しかし今、私たちはより複雑な疑問に直面しています。ヒッグス粒子の発見によって、実際に私たちは何ができるのでしょうか？
ヒッグス粒子の発見は、科学と技術の両方に新たな扉を開くかもしれません。
あなたはこう尋ねるかもしれません。「このすべての意味は何だったのか？ なぜ科学者たちはヒッグス粒子を探すのにそんなに多くの時間とお金を費やしたのか？」 重要なことに、ヒッグス粒子の発見は、宇宙のより深い謎のいくつかをよりよく理解するのに役立ちます。これまでのフライで概説されたすべての粒子と力は、物理学者が標準模型と呼ぶものの異なる部分を説明しています。これは、「通常の物質」（レプトンとクォーク）における相互作用、そしてボソン（四つの基本的な力とヒッグス粒子）を説明するのに役立ちます。
しかし、科学者が宇宙の物質の総量と「通常の物質」の総量を計算すると、これらの数字が異なることがわかり、別の種類の物質、ダークマターの存在が示唆されます。ヒッグス粒子がダークマターの検出に役立つかもしれない一つの方法は、粒子が崩壊する際に物質が生成されるかどうかを測定することです。しかし、そのような測定が行えるようになる前に、科学者たちはまずダークマターを検出できる機器を開発する必要があるでしょう。さらに、ヒッグス粒子の発見は、新たな技術の基礎として役立つかもしれません。そのような応用は最初は明らかではないかもしれませんが、歴史はそれらが確かに関連性を持つことを示しています。アインシュタインの一般相対性理論を考えてみましょう。
すぐには明らかではありませんでしたが、彼の理論はあなたのスマートフォンに入っているかもしれないGPS技術に役立っています。あなたの電話は軌道上の衛星と通信し、これらの信号のタイミングを計ることで地上でのあなたの位置を特定するのに役立ちます。しかし、これを機能させるためには、まず軌道上の時計が地上の時計よりもほんのわずかに速く進むことを理解しなければなりません。これは、アインシュタインの理論のおかげでわかっている事実です。ヒッグス粒子は私たちに何を明らかにするでしょうか？ 無数の可能性はまだ発見されるのを待っています。時が経てばわかるでしょう。
最終的なまとめ
この本の重要なメッセージ：ヒッグス粒子の発見は、宇宙の理解における大きな飛躍を意味します。それは素粒子物理学の「標準模型」を完成させ、宇宙がどのように機能するかについてのより深い疑問のいくつかに創造的にアプローチするための新しい方法を私たちに提供します。
さらに読むのにおすすめの本： ローレンス・M・クラウス著『宇宙が始まる前には何があったのか？』 『宇宙が始まる前には何があったのか？』は、宇宙がどのようにして無から自然発生したかを示す、新しい科学理論と観測を概説しています。著者は、この出来事がもっともらしいだけでなく不可避であったと主張し、宇宙がどのように始まり、進化したかを示す証拠を提示し、その最終的な終焉についての理論を展開します。
