日本の物理学者は 20 年間、放棄された亜鉛鉱山の奥深くにある高さ 13 階建ての純水のタンクを監視し、水中の陽子が自然に崩壊するのを観察してきました。その間、ノーベル賞は、ニュートリノと呼ばれる粒子に関連する大聖堂風の水槽での別の発見で受賞しました。しかし、陽子崩壊 (自然の 4 つの力のうち 3 つが、時間の始まりに 1 つの基本的な力から分離したことを確認するイベント) を探しているチームは、まだ待っています。
スーパーカミオカンデ実験の陽子崩壊探索チームを率いる東京大学の三浦誠氏は、「これまでのところ、この陽子崩壊の証拠は見当たりません。」と述べています。
強い力、弱い力、電磁気力を結び付けるさまざまな「大統一理論」または「GUT」は、陽子が崩壊するのにかかる時間についてさまざまな予測を行っています。 Super-K の最新の分析では、亜原子粒子が平均して少なくとも 160 億兆年生きなければならないことがわかりました。これは、チームが 2012 年に計算した陽子の最小寿命である 130 億兆年からの増加です。10 月に発表された調査結果Physical Review D での公開に向けて審査中 、予測された陽子の寿命のより広い範囲を除外し、最愛の1970年代の大統一仮説を証明されていない夢として残します.デラウェア大学の物理学者であるスティーブン・バーは、「この考えを検証する最も可能性の高い方法は、陽子崩壊です」と述べています。
陽子崩壊がなければ、今日の素粒子を支配する力が実際には単一の「大規模な統合」力の破片であるという証拠は、純粋に状況に応じたものです。高エネルギーに外挿すると、3 つの力は同じ強さに収束するように見え、それらの数学的構造は示唆しています。地球の大陸の形が古代の超大陸パンゲアをほのめかしているように、より大きな全体に含まれています.
「あなたはこれらの破片を持っていて、それらはとても完璧に組み合わされています」とバーは言いました. 「ほとんどの人は、それは事故ではないと考えています。」
宇宙の最初の 1 兆分の 1 兆分の 1 秒の「大統一時代」の間、これらの力が実際に 1 つであるとすれば、現在 3 つの力に対して異なる反応を示す粒子は対称的で交換可能であり、クリスタル。宇宙が冷えるにつれて、これらの対称性は結晶が砕けるように壊れ、今日の宇宙で見られる明確な粒子と複雑さが導入された.
過去 40 年間、物理学者は粒子の可能な初期対称配置を説明するさまざまな GUT モデルを提案してきました。どのモデルが正しいかを突き止めれば、自然の法則の根底にある数学的構造 (およびそれらが第 4 の力である重力とどのように対合するか) だけでなく、既知の粒子以外にどのような粒子が存在する可能性があるかが明らかになります。これは、宇宙の物質と反物質の不均衡や説明のつかないニュートリノの質量など、物理学の他の深い謎を解決する可能性があります。 「もちろん、私たちの夢は、すべての統一理論を確立することです」と、GUT という用語を作り出したテキサス A&M 大学の物理学者、Dimitri Nanopoulos 氏は述べています。
力の合体を直接再現するには、ありえない量のエネルギーが必要になります。しかし、大統一は、今日の宇宙に微妙な痕跡を生み出すはずです.すべての GUT モデルは、陽子と中性子の基本構成要素であるクォークが、最初は電子を含む粒子のクラスであるレプトンと区別がつかなかったと仮定しています。量子的な不確実性のため、この基本的な対称性に関連する大規模な統一力が時折再浮上し、クォークまたは反クォークを対応するレプトンまたは反レプトンに自発的に変形させる必要があります。これが陽子内のクォークの 1 つに起こると、陽子は即座にバラバラになり、検出可能な閃光を放出します。スーパーカミオカンデ実験の物理学者たちが待ち望んでいたものです。 (中性子も同様に崩壊します。専門家はこれを陽子崩壊と呼んでいます。)
大統一の夢は 1974 年に始まりました。将来のノーベル賞受賞者であるシェルドン グラショー (現在はボストン大学) とハワード ジョージ (現在はハーバード大学) が、SU(3)、SU(2)、および U( 1) は、それぞれ強い力、弱い力、電磁気力に対応し、一緒になって素粒子物理学の「標準モデル」を形成し、すべての既知の粒子を一度に関連付ける単一のより大きな対称性のグループに組み込むことができます:SU( 5).
「本当に美しいと思いました」と Glashow 氏は回想します。
しかし、その最初の最も単純な GUT モデルによって予測された陽子寿命は、他のモデルによって予測された陽子寿命の範囲の最初の千分の 1 とともに、すでに除外されています。スーパーカミオカンデは現在、いくつかの一般的な提案の予測の範囲を調査していますが、20 年が経過しているため、これ以上推し進めることはできません。 「非常に多くのデータが蓄積されているため、今はもっとうまくやるのは難しくなっています」と、実験開始以来 Super-K で働いているボストン大学の物理学者 Ed Kearns は言いました。
これでは、大統一の運命は不確かなままです。まだ実行可能な「フリップ SU(5)」GUT モデルの創始者の 1 人である Barr は、この状況を、配偶者が帰宅するのを待っている状況と比較しました。 「彼らが 10 分遅れた場合、それについての簡単な説明があります。 1時間遅れると、それらの説明は少し説得力がなくなるかもしれません.もし彼らが8時間遅れていたら…あなたは夫か妻が死んでしまったのではないかと心配し始めます。要点は、どの時点であなたの理論は死んだと言いますか?」
現在、彼は次のように述べています。大統一が正しいということは、今でも完全にもっともらしいです。」
大統一が実際に正しいとすれば、これは、基本的な対称性が宇宙の始まりに存在し、温度が下がるにつれて壊れたことを意味します。ちょうど、水がどの方向から見ても同じように見えて、凍って氷になり、それが異なる方向を持っていることを意味します.
対称性とは、何かを変更しないままにする変換です。たとえば、正方形を 90 度回転すると、前と同じように見えます。長方形のオブジェクトがこの回転対称性を示すには、同じ 4 つの辺がなければなりません。同様に、自然の法則に特定の対称性が存在する場合、それを実現するには一連の対称粒子が存在する必要があります。
強い力 (クォークを接着して陽子や他の複合粒子にする) に対応する対称性の集まりである SU(3) を考えてみましょう。この対称グループには、「アップ クォーク」（6 種類のクォークのうちの 1 つ）が 3 つの異なる電荷（多くの場合、赤、青、緑とラベル付けされている）であるという規則が含まれています。これらは交換可能です。つまり、宇宙のすべての赤いアップ クォークを青に、すべての青を緑に、すべての緑を赤に切り替えたとしても、誰も見分けることができません。 「ダウン」クォークと他のすべてのクォークも、正三角形の辺のような対称トリプレットに含まれます。強い力を伝える 8 つの粒子であるグルオンは、三角形の回転子と考えることができます。
一方、弱い力 (多くの種類の放射性崩壊の原因となる) に関連する SU(2) 対称性には、たとえばアップ クォークとダウン クォークの間の対称性が含まれます。すべての u を切り替えます と d は、弱い力を表す方程式に含まれています。「そして、私がこれを行ったことを理解することは決してないでしょう」と Nanopoulos 氏は述べています。
SU(5) などの GUT は、SU(3)、SU(2)、および U(1) のすべての対称性を含み、新しい対称性をミックスに追加します。たとえば、SU(5) はクォークと反クォークをレプトンとアンチレプトンと一緒に「ファイブプレット」にグループ化します。これは、正五角形の見分けがつかない面のようなものです。通常、強い力、弱い力、電磁力を伝える粒子は、このより大きな数学的構造では同一です。それらの 12 個すべてと、自然に発生する 12 個以上が、単一の「大規模な統合」力を伝えます。
SU(5) モデルを発見したとき、Glashow と Georgi はすぐに、SU(5) の構造に存在する 12 個の余分な力のキャリアが陽子崩壊を引き起こすことに気付きました。 SU(5) が今日見られる 3 つの破片に分かれたとき、元の戦力運搬船のうち 12 は現在の形をとっていたでしょうが、残りの 12 は消滅するのではなく、非常に重く弱くなっただけだったでしょう。これらの幽霊のような力の運搬人は時折実体化し、クォークをレプトンと交換します。 Georgi らは、SU(5) モデルが正しければ、平均的な陽子 (3 つのクォークでできている) は 10 年以内に崩壊すると計算しました。
この予測は、1980 年代にオハイオ州で行われた Irvine-Michigan-Brookhaven 実験と、Super-K の前身であるカミオカンデ実験の両方によって反証されました。いくらかの余裕が見つかり、約 100 倍長い陽子寿命の新しい予測につながりましたが、これでは十分ではありませんでした。 1996 年にオンラインになった数年後、Super-K 実験は SU(5) を決定的に除外しました。 「誰もが意気消沈していました」と Barr 氏は回想します。
それ以来、状況はますます曖昧になっています。 SU(5) は可能な限り単純でしたが、研究者は、既存の粒子が適合する可能性のある他のさまざまな対称グループを発見しました。これには、陽子の崩壊をより遅くする追加の機能と変数があります。これらのモデルの中には、粒子の数を 2 倍にする「超対称性」と呼ばれる追加の対称性を追加するものがあります。反転した SU(5) のようなものは、SU(5) の 5 つのプレット内で、どのクォークと反クォークがどのレプトンと反レプトンと一緒に移動するかを再配置し、その過程で追加の対称性に取り組みます。
陽子の寿命の下限を 10 年強に設定する Super-K の最新の結果は、陽子が 10 年から 10 年かかると予測する反転 SU(5) のモデルを含む、多くのモデルの関心領域に移動します。崩壊する。 1980 年代初頭に反転 SU(5) を開発した研究者の 1 人である Nanopoulos 氏は、「これには非常に興奮しています」と述べています。
しかし、スーパーKは今後数年で突然金を打ち、これらのモデルの1つを確認することができますが、モデルを完全に除外することなく、陽子の寿命の下限を微調整してさらに20年間実行することもできます.
日本はハイパーカミオカンデと呼ばれる 10 億ドルの検出器を建設することを検討しています。これは、スーパー K の 8 倍から 17 倍の大きさで、20 年後の 10 年の陽子寿命に敏感です。少しずつ崩壊が見られるかもしれません。またはそうではないかもしれません。 「私たちは不運かもしれません」とバーは言いました。 「誰も作ろうとしない最大の検出器を作ることができますが、陽子の崩壊が少し遅すぎて、運が悪くなります。」
検出器がどんなに大きくても、対称群 E6 など、テストをすり抜けてしまう、これまで以上に贅沢な GUT モデルを常に構築できます。 または E8 、その豊富なパラメーターを調整して、陽子を好きなだけ生きさせることができます。これらのモデルの 1 つが正しいかもしれませんが、それは誰にもわかりません。 「人々はより高い対称性を持つモデルを構築し、鼻の上に立って陽子崩壊を回避しようとすることができます」と Nanopoulos 氏は述べています。 「わかりました、できますが…お母さんに真顔で見せることはできません。」
たとえば、グラショーは、SU(5) が除外されたとき、この事件全体への関心をほとんど失いました。 「陽子崩壊は失敗でした」と彼は言いました。 「非常に多くの素晴らしいアイデアが死にました。」
正確には、大統一は死んでいません。状況証拠は相変わらず説得力があります。しかし、このアイデアは、陽子のように、永遠に漠然としたままになる可能性があります。
