10 年前、素粒子物理学者は世界を興奮させました。 2012 年 7 月 4 日、ヨーロッパの素粒子物理学研究所 CERN で世界最大の原子粉砕機である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) を使用している 6000 人の研究者が、ヒッグス粒子を発見したと発表しました。他の基本粒子がどのように質量を得るか。この発見は 45 年前の予測を実現し、標準モデルと呼ばれる理論を完成させ、物理学者を脚光を浴びました。
その後、長い二日酔いが続きました。長さ 27 キロメートルのリング状の LHC が 2010 年にデータの取得を開始する前、物理学者は、それがヒッグス粒子のみを生成する可能性があることを懸念し、標準モデルの先に何があるのかについての手がかりを残しませんでした。これまでのところ、その悪夢のシナリオが実現しています。カリフォルニア工科大学の物理学者である Barry Barish は、「少し残念です」と認めています。 「私たちは超対称性を発見すると思っていました」標準モデルの主要な拡張です.
多くの物理学者は、絶望するのは時期尚早だと言います。 3 年間のアップグレードの後、LHC は現在、計画されている 5 回の実行のうち 3 回目の実行に向けてパワーアップしており、毎秒発生する数十億回の陽子-陽子衝突で新しい粒子が出現する可能性があります。実際、LHC はさらに 16 年間稼働し、さらにアップグレードすると、現在の 16 倍のデータが収集されるはずです。これらすべてのデータは、新しい粒子や現象の微妙な兆候を明らかにする可能性があります.
それでも、一部の研究者は、コライダー物理学の壁に書かれていると言っています。 「何も見つからなければ、この分野は死んでいます」と、シカゴ大学の物理学者で、より小規模な実験で暗黒物質を探している Juan Collar は言います。キングス・カレッジ・ロンドンの理論家であるジョン・エリスは、突然のブレークスルーへの期待は、発見に向けた長く不確実な努力の見通しに取って代わったと述べています。 「歯が抜けるようなものではなく、歯を抜くようなものになるでしょう。」
1970 年代以来、物理学者は標準モデルとのレスリング マッチに固執してきました。通常の物質は、アップ クォークとダウン クォークと呼ばれる軽い粒子 (三重結合して陽子と中性子を作る) と、電子および電子ニュートリノと呼ばれる羽のように軽い粒子で構成されていると考えられています。より重い粒子の 2 つのセットが真空に潜んでおり、粒子の衝突で一瞬の存在に吹き飛ばされる可能性があります。すべてが他の粒子を交換することによって相互作用します。光子は電磁力を伝え、グルオンはクォークを束縛する強い力を運び、巨大な W ボソンと Z ボソンは弱い力を運びます。
標準モデルは、科学者がこれまでに粒子コライダーで見たすべてを説明しています。しかし、それは究極の自然理論にはなり得ません。重力を除外し、宇宙の通常の物質よりも 6 倍も大きいと思われる神秘的で目に見えない暗黒物質は含まれていません。
LHCはその行き詰まりを打破するはずでした。そのリングでは、反対方向に循環する陽子が、以前のどのコライダーよりもほぼ 7 倍高いエネルギーで衝突し、LHC が他の場所では作ることができないほど巨大な粒子を生成することを可能にします。 10 年前、多くの物理学者は、新しい力を運ぶ粒子やミニ ブラック ホールなどの驚異をすばやく発見することを思い描いていました。 「人は超対称粒子に溺れてしまうでしょう」と、ドイツの研究所 DESY の素粒子物理学のディレクターである Beate Heinemann は回想します。物理学者は、ヒッグスの発見にはもっと時間がかかると予測しました。
その代わり、ヒッグス粒子は比較的早い 3 年間で出現しました。その理由の 1 つは、多くの物理学者が予想していたよりも質量がやや小さく、陽子の約 133 倍の重さであり、生成が容易になったためです。そして、その記念碑的な発見から 10 年が経過しましたが、他の新しい粒子は出現していません。
その不足は、2 人の物理学者の大切なアイデアを弱体化させました。自然性と呼ばれる概念は、ヒッグス粒子の質量が小さいことが、LHC の把握範囲内に新しい粒子が存在することを多かれ少なかれ保証していることを示唆していました。量子力学によれば、真空中に「仮想的に」潜んでいる粒子は、実際の粒子と相互作用し、それらの特性に影響を与えます。これはまさに、仮想ヒッグス粒子が他の粒子に質量を与える方法です。
ただし、その物理学は両方の方法をカットします。ヒッグス粒子の質量は、真空中の他の標準モデルの粒子、特にトップ クォーク (陽子の 184 倍の重さを持つアップ クォークのより重いバージョン) によって劇的に上向きに引っ張られるはずです。それは起こらないので、理論家は、トップクォークの効果に「自然に」対抗するために、同様の質量と適切な特性、特に異なるスピンを持つ少なくとも1つの別の新しい粒子が真空中に存在する必要があると推論しました。 .
超対称性として知られる理論的概念は、そのような粒子を提供します。既知のすべての標準モデル粒子について、異なるスピンを持つより重いパートナーを仮定します。真空に潜むこれらのパートナーは、ヒッグス質量が逃げるのを防ぐだけでなく、消滅不可能な電場のように真空に浸透するヒッグス場がどのように発生したかを説明するのにも役立ちます.超対称粒子は、暗黒物質の説明さえしているかもしれません
しかし、期待されていた粒子の代わりに、過去 10 年間に出現したのは興味をそそる異常 (観測と標準モデルの予測との間の小さな不一致) であり、物理学者は LHC の次の 3 年間の実行でそれらを調査します。たとえば、2017 年に、LHC によって供給される 4 つの大型粒子検出器の 1 つである LHCb を扱う物理学者は、重いボトムクォークを含む粒子である B 中間子が、a と呼ばれる粒子よりも頻繁に電子と陽電子に崩壊することを発見しました。ミューオンとアンチミューオン。標準モデルでは、2 つの速度は同じであるはずであり、その違いは、LHC の出力に検出されずにすでに隠れている可能性がある、レプトクォークと呼ばれるエキゾチックな粒子の存在によって説明される可能性があるとエリスは言います。
同様に、他の実験では、ミューオンは標準モデルが予測するよりもわずかに強い磁気を持っている可能性があることが示唆されています (科学 、2021 年 4 月 9 日、p. 113)。その異常性は、超対称粒子またはレプトクォークのヒントである可能性があるとエリスは言います.
ヒッグス自体は、観測された特性と予測された特性の違いが新しい物理学を示すため、探査の他の手段を提供します。たとえば、2020 年 8 月、LHC の 2 つの最大の検出器である ATLAS と CMS を使用している物理学者のチームは、どちらもミューオンと反ミューオンに崩壊するヒッグスを発見したと発表しました。フェルミ国立加速器研究所の理論家である Marcela Carena は、その見えにくい崩壊の速度が予測と異なる場合、偏差は真空中に隠れている新しい粒子を示している可能性があると述べています。
これらの検索では、劇的な「エウレカ!」は得られない可能性があります。ただし、瞬間。 「微妙な影響を非常に正確に測定する方向にシフトしています」とハイネマンは言います。それでも、Carena は次のように述べています。
他の人は、LHC 実験者の可能性について楽観的ではありません。ミネソタ大学ツイン シティーズ校の物理学者で、他の施設を使ってニュートリノを研究しているマービン マーシャクは、「彼らは砂漠に面していて、その広さを知りません」と言う。楽観主義者でさえ、LHC が何も新しいものを発見しない場合、世界の政府を説得して、フィールドを維持するための次のより大きく、より高価なコライダーを構築するのが難しくなるだろうと言っています.
今のところ、LHC の多くの物理学者は、陽子の破壊に戻ることに興奮しています。過去 3 年間、科学者は検出器をアップグレードし、コライダーに供給する低エネルギー加速器を作り直しました。 CERN の加速器およびビームのディレクターであるマイク・ラモント氏は、LHC はより一定の衝突率で実行されるようになり、データの流れを効果的に 50% も増加させるはずだと述べています。
ラモント氏によると、加速器の物理学者たちは何ヶ月もの間、LHC のビームをゆっくりと調整してきました。ビームが十分に安定した場合にのみ、検出器をオンにしてデータの取得を再開します。これらのスイッチは、ヒッグス発見の発表から 10 年と 1 日後の 7 月 5 日にオンになるはずだと Lamont 氏は言います。 「継続的なランニングに参加するのは良いことです。」
