科学の偉大な前への飛躍 - ヒッグス粒子

何十年も探した後に、物理学者は宇宙の謎の一つを解決した

歴史的な事件は、10年経過するごとに重要性が薄らぐ。政治的金融的危機は、それらが普通そうであるように、進歩の道の上のブリップとみなされうる。戦争の恐怖でさえも、非現実性の古錆を獲得している。物理学法則は、けれども、永遠で普遍的だ。それらを解明することは、人類の勝利の一つだ。そして今週、そのような成功した解明が見られた。

7月4日に、世界最大の粒子物理学研究所であるジュネーヴのCERNで働く物理学者たちは、彼らがヒッグスボース粒子を見つけたと発表した。広く言えば、粒子物理学は、生命についてのDNAは宇宙にとって何かということだ。とても多くのほかのことの基礎をなす隠れた原則だ。1953年にフランシス・クリックとジェームス・ワトソンによるDNA構造の発見のように、ヒッグス粒子の発見は、そうでなければ理解できなかったであろうものの意味が分かるようにする。その重要性は巨大だ。本当に。ヒッグス粒子がなければ、集団はなかっただろう。そして集団がなければ、星も、惑星も、そして原子もなかっただろう。そして確かに人間も。実に、歴史はなかっただろう。質量のない粒子は、アインシュタインの相対性理論で、光の速さで飛ぶと定められた。それは、彼らにとって、過去、現在、そして未来が同じことであることを意味する。

 

デウスとCERN

全宇宙に影響するそのような力により、ヒッグスを「神の粒子」と名付けるものもいた。それは違う。それは創造自身を説明しない。しかしそれは、にもかかわらず、ここ何十年かで、物理学においてもっとも基本的な発見だ。

驚きとともにやってきたDNA構造とは違って、ヒッグスは長く期待されてきた客だ。それは、1964年に、量子理論の気になることを治そうとしていた英国の物理学者であるピーター・ヒッグスと、それとは独立して、5人のほかの研究者によって様々な外観で予測された。そしてもしヒッグス(か何か似たようなもの)が存在しなければ、物理学者たちが宇宙について知っていると考えることの多くが間違っているだろう。

物理学者は、現実の実働模型を二つ持っている。一つは、空間、時間、そして重力を取り扱うアインシュタインの一般相対性理論だ。これは1世紀前に一つの頭から吐き出された連鎖した等式が優美に組み立てられたものだ。標準理論として知られる別のものは、より乱雑なほかのものすべてを取り扱う。

多くの頭脳の産物である標準理論は、(電磁力、それから強い、そして弱い原子間力という)重力ではない三つの基本的な力と、また、(陽子、中性子、そしてゆえに原子が作られるクォーク、それらの原子の周りを回る電子、ミュー中間子やニュートリノといったより希薄なものという)明らかに分割できない粒子の群れを合体させる。ヒッグスがなければ、この体系をまとめている数学はバラバラになるだろう。

ヒッグスを見つけることは、けれども、干し草の山から針を探すのを簡単に見えるようにする。その発見は、最後には、CERNの機械である大型ハドロン衝突型加速器(LHC)を使うことに変わった。その機械は、陽子が正面衝突するように、光に近い速度で、反対方向に、27キロの円周に陽子の群れを送って回らせるものだ。陽子が早く動けば動くほど、それらはより大きなエネルギーを持つ。それらが衝突するとき、このエネルギーはほかの粒子に変わり(アインシュタインのe=mc2)、それからさらに多くの粒子に崩壊する。この崩壊した分子が何かということは、もともとの衝突で何が作り出されたかによるが、不幸にも「ヒッグス!」と叫ぶ特有な傾向は何もない。その検索は、それ故に、もしヒッグスがなかったら何が見えるだろうということからの小さな偏差のためだった。それが、これほど時間がかかった一つの理由だ。

他には、ヒッグスの重さがどれくらいなのか誰も知らず、それ故にそれを作るために陽子をどれだけの速さで飛ばす必要があるのか、ということも誰も知らなかった。ヒッグスを見つけることは、それ故に、たくさんの違ったエネルギーレヴェルを見る問題と、検索者が探しているものを見つけるまでそれぞれを順番に除外することだった。

 

我々が想定できるよりも変?

物理学者にとって、ヒッグスは単にLHCの前菜だ。彼らはその機械が今ではほかの粒子を作り出すだろうということを期待している。標準理論が予測しておらず、「ダーク・マター」と呼ばれる奇妙なものを説明するかもしれないものだ。

天文学者は、ダーク・マターが宇宙にたくさんあることを知っているが、まだ説明できていない。理論と観察のどちらも、「普通の」物質(標準理論で描かれた原子を形作る粒子)が、創造物全体のたった約4%を占めているにすぎないと示唆する。宇宙のほぼ3/4は、「ダーク・エネルギー」とあだ名される完全に不明瞭なものだ。残りの22%かそこらは、何らかの種類の物質だが、その重力からによってのみ検知されるものだ。それは、空間に浸透し、可視物からできている銀河の位置を支配する、大きな格子を形成する。それはまた、これらの銀河が回って分解するのをとめている。物理学者は、それが彼らがヒッグスを待っている間に夢見てきた標準理論後の理論の一つの産物であることを望む。今、彼らは見つけることができるだろう。

物理学者以外にとっては、ヒッグスの発見物の重要性は、実用性よりむしろ理解の領域に属する。それは若干の人類の知識を付け加えるが、DNAや相対性理論のようには生活を変えないかもしれない。40年以内に、アインシュタインの理論はマンハッタン計画と核兵器の災難への道を敷いた。DNAの解読は、現代の医学と農業の利益の多くに直接つながっている。最後の本当に有益な原子より小さな粒子の発見は、けれども、1932年のニュートロンだった。続いて見つかった粒子は、作るのがあまりに難しく、利用するにはあまりに短命だった。

これは、この勝利の瞬間でさえも、粒子物理学が壊れやすい試みなのかの理由を説明する役に立つ。物理学者が、政治家に原子爆弾を与えて、権力の回廊の周りを自信を持って大股に歩いた日々は過去のものだ。現在、彼らは、資金が厳しい世界では、嘆願者だ。もともとはヨーロッパの、しかし今では世界的な共同事業体によって維持されているLHCは、建設するのに約100億ドルかかる。

けれども、それは、物事がどのようにして本当に機能しているのか知るために支払うには、依然として小さな金額で、粒子物理学ほど真実に深く到達している科学の形はない。博学な英国科学者であるJ.B.S.ハルデーンがかつて語ったように、宇宙は我々が想定するよりも変なだけではなく、我々が想定できるよりも変かもしれない。しかし、機会を与えられれば、粒子物理学者はその資金に立候補するだろう。
 

発行日: 
2012-07-07
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