I.
過去と未来の区別ほど明白で、広く浸透している経験の事実はほとんどありません。 1つは覚えていますが、もう1つは予測しています。ムービーを逆再生すると、リアルに見えません。過去から未来を指す時間の矢があると言います.
時間の矢の存在と同じくらい基本的な事実が、物理学の基本法則に埋め込まれていると期待する人もいるかもしれません。しかし、その逆です。素粒子イベントのムービーを撮影できれば、時間をさかのぼったバージョンが完全に合理的に見えることがわかります。または、より正確に言えば、時間の流れを順方向または逆方向にたどるかどうかにかかわらず、物理学の基本法則は、後で説明するいくつかの小さな難解な例外に至るまで、守られているように見えます.基本法則では、時間の矢は可逆です。
論理的に言えば、時間の方向を逆にする変換は、基本的な法則を変更した可能性があります。常識的には、そうすべきだと示唆するでしょう。しかし、そうではありません。物理学者は、この事実を説明するために便利な略語 (専門用語とも呼ばれます) を使用します。彼らは、時間の矢を逆にする変換を「時間反転」または単に T と呼びます。また、T が基本法則を変更しないという (近似的な) 事実を「T 不変性」または「T 対称性」と呼んでいます。
日常の経験は T 不変性に違反しますが、基本法則はそれを尊重します。このあからさまなミスマッチは、難しい問題を提起します。 方法 基本法則が T 対称性を尊重する現実の世界は、これほど非対称に見えるのでしょうか?いつの日か、逆の流れの存在、つまり年をとるにつれて若くなる存在に遭遇する可能性はありますか?何らかの物理的プロセスを通じて、自分の体の時間の矢を好転させることができるでしょうか?
Quanta Magazine の David Kaplan、Petr Stepanek、Ryan Griffin。ケビン・マクラウドによる音楽
ビデオ: David Kaplan が、隠された対称性の探索がヒッグス粒子のような発見にどのようにつながるかを説明します。
これらは素晴らしい質問であり、過去の投稿でそれらについて書きたいと思っています。ただし、ここで補足的な質問を検討したいと思います。それは、共通の経験の事実において、反対側から始めるときに発生します。その観点から、パズルは次のとおりです。
なぜ基本法則は、その奇妙で問題を引き起こす性質である T 不変性を持たなければならないのでしょうか?
私たちが今日提供できる答えは、50 年前に提供できたものよりも比類のないほど深く、より洗練されています。今日の理解は、実験的発見と理論的分析の見事な相互作用から生まれ、いくつかのノーベル賞を受賞しました。しかし、私たちの答えにはまだ重大な抜け穴が含まれています。これから説明するように、その抜け穴をふさぐことで、予想外のボーナスとして、宇宙論的な「暗黒物質」を特定できる可能性があります。
II.
T 不変性の現代史は 1956 年に始まります。その年、T.D.リーと C.N.ヤンは、それまで当然のことと考えられていた、物理法則の異なるが関連する特徴に疑問を呈しました。 Lee と Yang は、T 自体には関心がありませんでしたが、その空間的類似物であるパリティ変換「P」に関心がありました。 Tは時間を遡って映画を見ることを含むのに対し、Pは鏡に映った映画を見ることを含みます。パリティ不変とは、反射されたムービーに表示されるイベントが元のムービーと同じ法則に従うという仮説です。 Lee と Yang は、その仮説に対する状況証拠を特定し、それを検証するための重要な実験を提案しました。数か月以内に、実験により、P 不変性が多くの状況で失敗することが証明されました。 (P 不変は、重力、電磁気、および強い相互作用に適用されますが、一般に、いわゆる弱い相互作用では失敗します。)
P (非) 不変をめぐるこれらの劇的な発展は、物理学者に T 不変を疑問視するよう刺激しました。しかし、T不変性の仮説は、数年間の綿密な精査に耐えました。ジェームズ・クローニンとバレンタイン・フィッチが率いるグループが、T 不変性に違反する K 中間子の崩壊における特異な小さな効果を発見したのは、1964 年のことでした。
III.
ジョニ・ミッチェルの洞察の知恵 — 「自分が何を手に入れたかは、それがなくなるまで分からない」 — はその後の結果で証明されました。
小さな子供のように、「どうして？」と問い続けたら、しばらくの間はより深い答えが得られるかもしれませんが、最終的には底に突き当たり、簡単には説明できない真実に到達します。その時点で、私たちは停止を宣言し、事実上、勝利を宣言する必要があります。しかし、私たちが想定している真実の例外を後で見つけた場合、その答えはもはや役に立ちません.続けなければなりません。
T の不変性が普遍的な真実であるように見える限り、イタリック体の質問が有用な質問であるかどうかは明らかではありませんでした。なぜ宇宙 T は不変だったのですか?そうだった。しかし、クローニンとフィッチの後、T 不変性の謎は避けられませんでした。
多くの理論物理学者は、T 不変性がどのように非常に正確でありながら完全ではないかを理解するという厄介な課題に取り組んでいました。ここで、小林誠と益川俊英の仕事が決定的であることが証明されました。 1973 年に、彼らは、おおよその T 不変性は、他のより深遠な原則の偶然の結果であると提案しました。
機は熟した。少し前に、素粒子物理学の最新の標準モデルの概要が明らかになり、基本的な相互作用に関する新たなレベルの明確さが明らかになりました。 1973 年までに、強力な — そして経験的に成功した! — いくつかの「神聖な原則」に基づく理論的枠組み。これらの原則とは、相対性理論、量子力学、および「ゲージ対称性」と呼ばれる均一性の数学的規則です。
これらすべてのアイデアを協力させるのは非常に難しいことがわかりました。一緒に、それらは基本的な相互作用の可能性を大きく制限します.
小林と益川は、いくつかの短いパラグラフで、2 つのことを行いました。最初に彼らは、物理学が当時知られていた粒子に限定されている場合 (専門家向け:クォークとレプトンの 2 つのファミリのみが存在する場合)、神聖な原則によって許可されるすべての相互作用も T 不変性を尊重することを示しました。クローニンとフィッチが発見をしていなかったら、その結果は純粋な勝利だったでしょう。しかし、彼らは持っていたので、小林と益川はさらに重要な一歩を踏み出しました.彼らは、非常に特殊な新しい粒子のセット (第 3 のファミリー) を導入すると、それらの粒子が新しい相互作用をもたらし、T 不変性のわずかな違反につながることを示しました。一見すると、医師が指示したとおりのように見えました.
その後の数年間で、彼らの素晴らしい理論的探偵作品は完全に立証されました。小林と益川がその存在を推測した新粒子はすべて観測されており、それらの相互作用はまさに小林と益川が提案したものです。
このセクションを終了する前に、哲学的なコードを追加したいと思います。神聖な原則は本当に神聖ですか？もちろん違います。実験によって科学者がこれらの原則を変更する必要がある場合、科学者はそうするでしょう。しかし、現時点では、神聖な原則は非常に良さそうです。そして明らかに、それらを非常に真剣に受け止めることは実り多いものでした.
IV.
ここまで、勝利の物語を語ってきました。世界がどのように機能するかについての最も印象的なパズルの 1 つであるイタリック体の質問は、深く、美しく、実りある答えを受け取りました.
しかし、バラには虫がいます。
小林と益川の研究から数年後、Gerard 't Hooft は T 不変性の説明の抜け穴を発見しました。神聖な原則は、追加の種類の相互作用を可能にします。可能性のある新しい相互作用は非常に微妙であり、't Hooft の発見はほとんどの理論物理学者にとって大きな驚きでした。
新しい相互作用は、それがかなりの強さで存在する場合、クローニン、フィッチ、および彼らの同僚が発見した効果よりもはるかに明白な方法で T 不変性に違反します。具体的には、中性子のスピンが、それが引き起こすことが観察されている磁場に加えて、電場を生成することを可能にします。 (回転する中性子の磁場は、回転する地球の磁場とほぼ同じですが、もちろん規模はまったく異なります。) 実験者はそのような電場を熱心に探しましたが、これまでのところ、それらは空っぽでした.
自然は 't Hooft の抜け穴を悪用することを選択しません。もちろん、それは彼女の特権ですが、イタリック体の質問を新たに提起します。
いくつかの説明が提唱されてきましたが、時の試練に耐えたのは 1 つだけです。中心的なアイデアは、Roberto Peccei と Helen Quinn によるものです。彼らの提案は、小林と益川の提案と同様に、標準モデルをかなり具体的な方法で拡張することを含んでいます。 1 つは中和フィールドを導入し、その動作は 't Hooft の新しい相互作用に特に敏感です。実際、その新しい相互作用が存在する場合、中和フィールドはそれ自体の値を調整して、その相互作用の影響をキャンセルします。 (この調整プロセスは、固体内の負に帯電した電子が正に帯電した不純物の周りに集まり、それによってその影響を遮蔽する方法とほぼ同じです。) 中性化フィールドは、それによって抜け穴を閉じます。
Peccei と Quinn は、彼らのアイデアの重要でテスト可能な結果を見落としていました。中和場によって生成された粒子 — その量子 — 優れた特性を持つと予測されています。彼らはこれらの粒子に注意を払わなかったため、名前も付けませんでした。そのおかげで、思春期の夢をかなえる機会が得られました。
数年前、Axion という名前の洗濯用洗剤の鮮やかな色の箱がスーパーマーケットに陳列されていて、私の目を引きました。 「アクシオン」は粒子の名前のように聞こえ、実際には粒子であるべきだと思いました。そのため、「軸方向」電流の問題を「クリーンアップ」する新しい粒子に気付いたとき、チャンスを見つけました。 (私はすぐに、スティーブン・ワインバーグもこの粒子に独自に気付いていたことを知りました。彼はそれを「ヒグレット」と呼んでいました。彼は親切にも、そして賢明なことに、その名前を放棄することに同意しました。) .
粒子データ グループの年代記には、失敗したアクシオンの検索について説明している数十の実験をカバーするいくつかのページがあります。
それでも、楽観主義の根拠はあります。
アクシオンの理論では、一般的に、アクシオンは非常に軽く、非常に寿命が長く、通常の物質との相互作用が非常に弱い粒子であると予測されています。しかし、理論と実験を比較するには、定量的である必要があります。既存の理論ではアクシオンの質量の値が固定されていないためです。アクシオンの質量がわかれば、他のすべての特性を予測できます。しかし、質量自体は広い範囲で変化する可能性があります。 (同じ基本的な問題が、チャームド クォーク、ヒッグス粒子、トップ クォーク、その他いくつかのクォークにも発生しました。これらの粒子がそれぞれ発見される前に、理論は例外を除くすべての特性を予測していました。 アクシオンの相互作用の強さは、その質量に比例することがわかります。そのため、アクシオン質量の推定値が減少するにつれて、アクシオンはよりとらえどころのないものになります.
初期の物理学者は、アクシオンがヒッグス粒子と密接に関係しているモデルに注目していました。これらのアイデアは、アクシオンの質量が約 10 keV、つまり電子の質量の約 50 分の 1 であるべきであることを示唆していました。私が以前に言及した実験のほとんどは、その性格のアクシオンを探していました。今では、そのようなアクシオンは存在しないと確信できます.
したがって、実験によって除外されていないアクシオン質量のはるかに小さい値 (および結果としてより弱い結合) に注意が向けられました。この種のアクシオンは、標準モデルの相互作用を統一するモデルで非常に自然に発生します。それらは超弦理論でも発生します。
アクシオンは、ビッグバンの初期の瞬間に大量に生産されたはずです。アクシオンが存在する場合、アクシオン流体が宇宙に浸透します。アクシオン流体の起源は、有名な宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) 放射の起源と大まかに似ていますが、これら 2 つの実体には 3 つの大きな違いがあります。 1つ目:アクシオン流体はまだ仮説の段階ですが、マイクロ波のバックグラウンドが観測されています。第二に、アクシオンには質量があるため、それらの流体は宇宙全体の質量密度に大きく貢献します。実際、それらは、天文学者が暗黒物質として特定した量にほぼ匹敵すると計算されます! 3 番目:アクシオンは相互作用が非常に弱いため、CMB からの光子よりも観察がはるかに困難です。
アクシオンの実験的な検索は、いくつかの面で続けられています。最も有望な実験のうちの 2 つは、アクシオン流体を検出することを目的としています。そのうちの 1 つである ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) は、特別に作成された超高感度アンテナを使用して、背景のアクシオンを電磁パルスに変換します。もう 1 つの CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment) は、アクシオン流体によって引き起こされる核スピンの動きの小さな揺れを探します。それらの間で、これらの困難な実験は、可能なアクシオン質量のほぼ全範囲をカバーすることを約束します.
アクシオンは存在しますか？確かなことはまだわかりません。それらの存在は、時間の可逆的な矢の物語を劇的で満足のいく結論に導き、おそらく暗黒物質の謎を解決するでしょう.ゲームが進行中です。
