世界で最も強力な粒子加速器である、ジュネーブ近くの CERN 研究所の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、物理学者を素粒子物理学の標準モデルを超えて導く、期待される粒子を見つけることができませんでした。しかし、LHC がそのような極めて重要な新しい粒子をずっと生成してきた可能性があります。
メリーランド大学の物理学者 David Curtin は次のように述べています。 、そしてそれらは、最も基本的なレベルで、私たちが持っている最も重要な理論上の謎のいくつかに関連しています。」
このような仮説上の粒子は、LHC が検出するように設計された寿命をはるかに超えるため、「長寿命」と呼ばれます。 LHC が実際にこれらの粒子を生成している場合、一部は加速器の地下トンネルから逃げ出し、地球を突き破り、近くの農場の上空で花火のように爆発して崩壊し、通常の物質に戻る可能性があります.
それらの花火が存在すると仮定して、それらの花火の閃光を捉えるために、カーティンと共同研究者であるワシントン大学のヘンリー・ルバッティとラトガース大学のジョン・ポール・チョウは、それらのフィールドに立つ巨大な新しい検出器を構築することを提案しました。 . 3 人は最近 Physics Letters B で提案を公開しました 、彼らの検出器Mathuslaに命名しました（これは、拷問された物理学の頭字語の壮大な伝統の中で、超安定中性粒子のためのMAssive Timing Hodoscopeの略です）。この名前は、900 年以上生きた神話上の人物にちなみます。
CERN の理論部門を率いる Gian Giudice 氏は、次のように述べています。超対称性と呼ばれる理論によって予測された短寿命の粒子を発見する努力がこの分野をリードしており、長年にわたって「探査の正しい方向性について確信が持てた」と彼は述べた。しかし、それらの粒子は計画どおりには現れていません。 「今、私たちは新しい方向性と新しい動機を探しています。それが本当に変化していることです。」
残念ながら、寿命の長い粒子は検出が困難です。良いニュースは、LHC が発見し、生成し続けている 1 つの新しい粒子、ヒッグス ボゾンに由来する可能性があるということです。
ヒッグス双生児
2012 年のヒッグス粒子の発見は、物理学者に一度に 2 つのことをもたらしました:標準モデルの最後の欠落部分を見つけたという勝利と、同じモデルが何か本質的なものを欠いているという説得力のある証拠です。
標準モデルの問題は、測定されたヒッグスの質量が、量子力学が示唆する質量よりも約 1 億倍小さいという事実にあります。標準モデルの観点からすると、これは、宇宙の基本的な構成要素のいくつかの値が関与する、非常にありそうもない偶然の一致の結果としてのみ真実である可能性があります。 (この偶然は非常に幸運です。なぜなら、それがなければ、原子とそれらを構成するすべてのものは存在できなかったからです。) 物理学者は、この状況を「階層問題」と呼び、標準モデルが近似値にすぎないことの証拠と見なしています。ヒッグス質量を「自然に」説明するより包括的な理論 — 明らかな奇跡以外のメカニズムの結果として.
超対称性は長い間、より包括的な理論の主要な候補でした。これは、新しい粒子 (標準モデルの各粒子に対して 1 つのパートナー粒子) によって階層の問題を解決します。しかし、LHC からスーパーパートナーが現れる兆しがないため、一部の物理学者は、階層問題に対処する粒子がいわゆる隠れセクターに属している可能性を真剣に検討しています。
隠れたセクターは、互いに相互作用する可能性があるが、標準モデルの 3 つの力 (強い、電磁気、弱い) の影響を感じない粒子のファミリーです。それらは通常の物質と直接相互作用しないため、検出が非常に困難です。しかし、2000 年代初頭にこのアイデアを最初に提案したメリーランド大学の物理学者の 1 人である Zackaria Chacko は、粒子の隠されたセクターが階層問題の解決に役立つ可能性があると述べています。 「単純に考えると、標準モデルの粒子はヒッグスを引き上げ、ヒッグスを重くしたいのです」と彼は言いました。 「そして、あなたはそれを引き戻すこの隠されたセクターを持っています。」
チャッコのモデルは「ツイン ヒッグス」と呼ばれます。これは、ヒッグスが他のすべての標準モデル粒子と同様に、隠れたセクターに住む双子を持っているためです。ヒッグスは、標準モデル セクター (つまり、私たちが住んでいる世界) を離れ、その双子に変わることによって隠されたセクターに移行する能力により、特別な役割を果たします。
これは本当に起こっていますか？ LHC の陽子と陽子の衝突は、1 時間に数百個のヒッグス ボソンを生成しますが、それらは、それらの衝突から継続的に噴出し、加速器の検出器を攻撃する粒子の暴動のほんの一部です。それらのほんの一部しか数えることができません。これまでに収集されたデータに基づくと、LHC のヒッグス粒子の 4 分の 1 が隠れたセクターの影に滑り込んでいる可能性があります。
そのような逃亡者を追跡することは、2014 年にメリーランド州のチャッコの同僚であるラマン サンドラムを含むチームによって行われた発見がなければ、実質的に絶望的です。 Sundrum が LHC での新しい発見の欠如について「絶望の特定のレベル」と表現するレベルに達したとき、彼と彼の共同研究者は Chacko のモデルを再検討し、自然性を回復できる理論のクラス全体の 1 つにすぎないことに気付きました。隠された粒子のおかげで。彼らはまた、一般的なケースでは、ヒッグス粒子が崩壊して隠れた粒子の一部が隠れたままにならないことも発見しました。代わりに、それら自体が崩壊します—サブ原子の基準ではまだメトセラのような寿命であるほんの一瞬の後—標準モデルの粒子に戻ります。このような粒子は、LHC またはその近くで発見される可能性があります。
オハイオ州立大学の物理学者であり、CMS のシニア メンバーである Christopher Hill 氏は、次のように述べています。ヒッグス (ATLAS はもう一方)。 Hill は、ニューヨーク大学の物理学者で ATLAS に取り組んでいる Andy Haas と協力して、milliQan と呼ばれる隠れたセクター粒子を見つけるための別の提案を行っています。実験の名前は、電子の電荷を最初に測定したロバート・ミリカンにちなんでいますが、ミリカンの測定値の 1,000 分の 1 という小さな電荷を持つ粒子を探しているという事実を強調しており、それらを「ミリ帯電」させています。
「ミリカンとは別のポータルを探していました」とヒル氏は言います。このポータルを介して、通常の光子が隠されたセクターで「暗い」光子に変換される可能性があります。その場合、隠れたセクターの電子のような粒子は、標準モデルのセクターではミリ荷電粒子として現れます。
隠されたセクターとポータルは、Sundrum が自白した一種の自暴自棄に駆り立てられた物理学者によって考案された、サイエンス フィクションのように不審に聞こえるかもしれませんが、自然がこのゲームをプレイした例を少なくとも 1 つ知っています。暗黒物質は、私たちがそれについてほとんど知らなくても、標準モデルを超えて別のセクターが存在するという強力な証拠を示しています.
実際、物理学者は、暗黒物質や宇宙の物質と反物質の非対称性などの問題を含む、現在物理学を悩ませている事実上すべての基本的な問題に対処するために、長寿命の粒子と隠れたセクターを利用してきました。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の物理学者であるニマ・アルカニ・ハメドは、「隠されたセクターを探すという考えは非常に自然で、動機があり、非常に興味深いので、それから始めるべきです」と述べています。 .
しかし、隠れたセクターを探すということは、とらえどころのない長寿命の粒子を吸い出すことを意味します。
納屋の花火
「長寿命—あなたたち、これは正気ではありません！」 Curtin は、昨年ワークショップで発表したことを思い出します。 「あなたにできることは何もありません。それをそらすことも、閉じ込めることも、散らすこともできません。それは消えるだけで、いつでも好きなときに崩壊します。そして、それが崩壊するとき、あなたはすぐそこにいなければなりません。」
カーティンは聴衆に助けを求めた
Lubatti と Chou は実験家であり、ATLAS と CMS でそれぞれ長寿命粒子の探索に取り組んでおり、Lubatti はこの試みを「干し草の山から針を探しているが、どの干し草の山かさえわからない」ことに例えています。ワークショップで。その後の議論は、最終的にMathuslaのコラボレーションにつながりました.数か月にわたる会議、Skype 通話、シミュレーションを経て、3 人は予備設計を練り上げました。高さ 20 メートルの建物で、サッカー場 7 つ分以上の面積をカバーできます。 5 層の粒子トラッカーが天井からぶら下がっており、研究者は巨大な空間で発生する粒子崩壊の亜原子破片を再構築できます。この構造は、ATLAS または CMS 検出器のいずれかの上の地面に構築されます。そこでは、約 100 メートルの土と岩が、下に続く粒子衝突の継続的なカオスからそれを保護するように機能します。粒子の花火。
MilliQan はより小さな実験であり、より精巧な作業が必要です。その検出器は、LHC の建設で残された洞窟のようなトンネルの空きスペースに差し込まれます。その課題は、電子の 1000 分の 1 の電荷を持つ粒子が、電子が放出する粒子検出器内の光子のわずか 100 万分の 1 を追い出すことです。そのため、MilliQan は検出器を 3 つの積み重ねられたチューブで構成します。それぞれの長さは 1 メートルで、陽子が衝突する場所をすべて指しています。ヒル氏によると、ミリ荷電粒子が 3 つの層のそれぞれに 1 つの光子を蹴り込むには、長いチューブで十分なはずであり、物理学者が実際のミリ荷電粒子をバックグラウンド ノイズの嵐の海から区別できるようにする明確な信号を生成します。
どちらの実験も CERN によって承認されていませんが、プロトタイプはすでに LHC の敷地内に構築されています。マトゥスラの箱は、2.5 メートル四方、高さ約 5.5 メートルの箱で、一部はチベットでの宇宙線実験から集められた材料でできています。 MilliQan のプロトタイプも同様に本物のミニチュア バージョンであり、これも回収された部品から構築されており、スペースを占有している CMS チームの親切の恩恵を受けています。
「ほとんどの長寿命の粒子探索と同様に…私たちは進行中の実際の物理学に依存して生きる寄生虫のようなものです」とハースは言いました。
それぞれ何千人もの従業員を雇用し、それぞれ 5 億ドル以上の費用がかかる非常に洗練された検出器を使用する ATLAS と CMS と比較すると、milliQan と Mathusla は明らかに謙虚な提案であり、前者はおそらく 100 万ドル、後者は数千万ドルで実行可能です。 、そしてどちらも主にマンハッタン計画にさかのぼる粒子検出技術に基づいています。大型犬が見逃した何かを彼らが嗅ぎ分けられると示唆するのはばかげているように思えます.
そして、彼らはそのチャンスさえ手に入れることができるでしょうか?
両方の実験の運命を決定する CERN の委員会のメンバーである Giudice 氏は、「科学的には、立証は容易だと思います」と述べています。 「最終的に問題は、コスト、スペース、実験の準備が整うまでの時間などの実際的な側面によって決定されます。」すべてが順調に進めば、2020 年代半ばに予定されている LHC の大規模なアップグレードの後に、実験はデータの収集を開始します。
これらの提案は、素粒子物理学者の間で新たに発見された謙虚な感覚から恩恵を受けています。 Arkani-Hamed が述べたように、過去 40 年間に新しい物理学の検索を動機付けるために提唱された多くの「壮大な理論的理由」は、「これまでのところ、非常にしゃがむことになりました」。
現在、ジュディツェは「考えられるあらゆる方向に目を向ける必要がある」と述べています。
Arkani-Hamed 氏は、Mathusla と milliQan が調査できるポータルが「驚くほど巨大」であり、まだ調査されていないことは「ただの狂気」だと付け加えた。 「それは、宇宙に何があるかについて、私たちが実際に知っていることがいかに少ないかを示しています。」
