素粒子物理学における最大のニュースはニュースではありません。 3 月には、この分野で最も重要な会議の 1 つである Rencontres de Moriond が開催されました。これは、実験的なコラボレーションが予備的な結果を発表する年次会議です。しかし、現在世界最大の粒子コライダーであるラージ ハドロン コライダー (LHC) からの最近のデータは、何も新しいことを明らかにしていません。
40 年前、素粒子物理学者は物質の構造に関する最終理論に近づいたと考えていました。当時、彼らは素粒子物理学の標準モデルを定式化して、物質の基本構成要素とその相互作用を説明しました。その後、彼らは、標準モデルの予測されたがまだ欠けている粒子を探しました。 2012 年に、彼らは最後の行方不明の粒子、ヒッグス粒子を確認しました。
ヒッグス粒子は、標準モデルの残りの部分を理解するために必要です。それがなければ、他の粒子は質量を持たず、確率は適切に 1 に加算されません。これでヒッグスがバッグに収まり、標準モデルが完成しました。捕まえたすべてのポケモン。
標準モデルは、物理学者にとって基本的な物質の構造を解明するための最良の方法かもしれませんが、彼らには望みがありません。多くの素粒子物理学者は、自然の最後の言葉であるには醜すぎると考えています。標準モデルの 25 の粒子は、3 つの基本的な力に対応する 3 つのタイプの対称性によって分類できます。電磁力、および強い核力と弱い核力です。しかし、物理学者は、統一された力が 1 つだけであることを望んでいました。彼らはまた、まったく新しいタイプの対称性、いわゆる「超対称性」を見たいと考えています。ああ、追加のスペースの次元はきれいでしょう。そして多分パラレルユニバースも。彼らのウィッシュ リストは長いです。
素粒子物理学者の間では、美しさからの議論を使用して、さらなる研究に値すると見なされる理論を選択することが一般的になっています。これらの美しさの基準は主観的なものであり、証拠に基づくものではありませんが、理論開発の優れたガイドであると広く信じられています.現在、物理学の基礎において最も頻繁に使用されている美の基準は、単純さと自然さです。
「単純さ」とは、相対的な単純さ、つまり最も単純な理論が最良であるという考え (別名「オッカムのかみそり」) を意味するものではありません。相対的な単純さに頼ることは、優れた科学的実践です。対照的に、理論が絶対的に単純であることを望むことは、美しさの基準です。自然の法則が単純であるべきという深い理由はありません。物理学の基礎において、この絶対的な単純さへの欲求は現在、物理学者の統一への希望に表れています。さらに言えば、標準モデルの 3 つの力と重力。
美しさのもう 1 つの基準である自然さは、理論に現れる純粋な数 (つまり、単位のないもの) が非常に大きくも非常に小さくもないことを必要とします。代わりに、これらの数値は 1 に近い必要があります。これらの数値がどれだけ正確に 1 に近いかは議論の余地があり、これはすでにこの議論の非科学的性質の指標となっています。実際、素粒子物理学者が自然性の欠如が問題になるタイミングを定量化できないということは、不自然な理論がまったく問題にならないという事実を浮き彫りにしています。美しくないだけです。
物理学の基礎に関する文献を見れば誰でも、そのような美しさからの議論に頼ることが、何十年にもわたってこの分野の主要な流れであったことがわかるでしょう.これは、スティーブン ワインバーグ、フランク ウィルチェック、エドワード ウィッテン、マレー ゲルマン、シェルドン グラショーなど、この分野の大物によって広められてきました。ブライアン・グリーン、ダン・フーパー、ゴードン・ケイン、アンソニー・ジーなどによって書かれた、自然の法則は美しくあるべきだという考えを広めた無数の本。実際、美についてのこの話は非常に長い間続いているため、現時点では、現在この分野にいるほとんどの人がそもそも美に惹かれているようです.驚くことではありませんが、彼らはそれを手放すことができないようです.
問題は、自然の新しい法則へのガイドとして美に頼ることがうまくいかないことです.
1980 年代以降、統一された力と超対称粒子、および標準モデルを美しくするために発明されたその他の粒子の証拠を探すための数十の実験が行われました。物理学者は、「gluinos」や「wimps」から「branons」や「cuscutons」まで、何百もの仮想粒子を推測しており、それぞれが既存の理論の美しさの欠如を改善するために発明しました。これらの粒子は、たとえば、対称性の量を増やすことによって、力を統一することによって、または特定の数が小さい理由を説明することによって、美しさを助けると考えられています.残念ながら、これらの粒子は 1 つも確認されていません。測定は、標準モデルを何度も確認しただけです。そして、万物の理論が存在するとしても、1970 年代と同じように今日でもとらえどころのないものです。大型ハドロン コライダーは、これらの美に基づく予測を確認できなかった長い一連の検索の最新のものにすぎません。
この数十年間の失敗は、人間の基準に照らして美しいという理由だけで新しい自然の法則を仮定することは、科学的な仮説を立てる良い方法ではないことを示しています.これが起こったのは初めてではありません。歴史的な先例を見つけることは難しくありません。美しさに依存することは、ケプラーのプラトン立体には通用しませんでした。アインシュタインの永遠に不変の宇宙という考えには通用しませんでした。また、19 世紀の終わりに流行した、原子は目に見えないエーテルの結び目。これらの理論はすべて、かつては美しいと考えられていましたが、今日では間違っていることが知られています.物理学者は、まったく美しいとは言えない美しいアイデアについて繰り返し私に話してくれました。そのような後知恵は、美しさからの議論が機能するという証拠ではなく、美しさに対する私たちの認識が時間とともに変化するという証拠です.
美しさが主観的であるということは、画期的な洞察とは言えませんが、物理学者は教訓を学ぶのが遅く、それが結果をもたらします。動機のない仮説をテストする実験では、結果がゼロになるリスクが高くなります。つまり、既存の理論を確認し、新しい効果の証拠を見ないことです。これは、物理学の基礎で 40 年間にわたって起こったことです。そして、新しい LHC の結果で、それが再び起こりました。
これまでに分析されたデータは、超対称粒子、余分な次元、または標準モデルと互換性のないその他の物理学の証拠を示していません。過去 2 年間、素粒子物理学者は、異なるレプトンの相互作用率の異常に興奮していました。標準モデルは、これらの率が同一であると予測していますが、データはわずかな違いを示しています。この「レプトン異常」は新しいデータにも残っていますが、素粒子物理学者の希望に反して、重要性が増していないため、新しい粒子の兆候ではありません。 LHC の共同研究は、「D-中間子」と呼ばれる複合粒子の崩壊における対称性の破れを測定することに成功しましたが、測定された効果は、ここでも標準モデルと一致しています。データは頑固に繰り返されます:ここには目新しいものは何もありません.
もちろん、まだ分析されていないデータが見つかる可能性はあります。しかし、この時点で、これまでに行われた新しい物理学の予測がすべて間違っていたことはすでにわかっています。つまり、新しい物理学の出現を期待する理由はありません。
はい、最近の LHC 測定のように、null の結果も結果です。彼らはいくつかの仮説を除外します。しかし、新しい理論を開発したい場合、null の結果はあまり有用な結果ではありません。 null の結果は、「この道を行くのはやめましょう」と言います。結果は「その道を行きましょう」と言います。進むべき道がたくさんある場合、それらのいくつかを破棄してもあまり役に立ちません。
物理学の基礎を前進させるには、ゼロの結果ではなく、結果が必要です。新しい仮説の検証に何十年もの構築期間と数十億ドルがかかる場合、何に投資するかを慎重に検討する必要があります。偶然の発見に頼るには実験に費用がかかりすぎてしまいます。美容に基づく方法は、歴史的にうまくいきませんでした。それらはまだ機能しません。物理学者が注目する時が来ました。
そして、物理学の基礎における現在の理論の唯一の問題が美しさの欠如というわけではありません。物理学が終わっていないと考えるのには十分な理由があります。標準モデルは、特に重力を含まず、ニュートリノの質量を説明できないため、最後の言葉になることはできません.また、銀河の構造を説明するために必要な暗黒物質や暗黒エネルギーについても説明していません。
明らかに、物理学の基礎には答えを必要とする問題があります。物理学者はそれらに焦点を当てる必要があります。そして、現在のところ、次に高いエネルギーで粒子を衝突させることが、既存の問題の解決に役立つと考える理由はありません。新しい効果は、エネルギーが次に大きなコライダーでさえ探査できるエネルギーの 10 億倍になるまで現れないかもしれません。したがって、進歩を遂げるためには、物理学者は何よりもまず、失敗した予測から学ばなければなりません。
これまでのところ、そうではありません。 2016 年、素粒子物理学者のハワード ベア、バーノン バーガー、ジェニー リストは、Scientific American にエッセイを書きました。 「物理学を救う」ためには、より大きな粒子コライダーが必要であると主張しています。理由？著者が自ら提案した理論は、特定の方法で自然な (美しい!) ものであり、そのような大きなコライダーは新しい粒子を見るはずであると予測しています。この 3 月、素粒子物理学者のケインは、Physics Today のエッセイで同様の美に基づく議論を使用しました。 . Nature Reviews Physics の最近のコメント 日本で計画されている大型の新しい粒子コライダーについて、LHC ではまだ機能していない自然性からの同じ動機が再び利用されました。自分の予測が失敗したことを認めた素粒子物理学者でさえ、美に基づく仮説をあきらめたくありません。代わりに、彼らは、彼らがどれほど間違っているかをテストするためにより多くの実験が必要であると主張しています.
今回のゼロ結果の最新ラウンドは、理論開発の新しい方法が必要であることを素粒子物理学者に最終的に納得させるでしょうか?そう願っています。
私自身元素粒子物理学者として、物質の構造に関する包括的な理論を持ちたいという願望をよく理解しています。また、超対称性や超弦理論などの理論の魅力にも共感できます。そして、そうです、私たちは「多元宇宙」を構成する無限に多くの宇宙の 1 つに住んでいるという考えがとても好きです。しかし、最新の LHC の結果が再び家に帰ってくると、自然の法則は、人間が何を美しいと感じるかを心から気にかけなくなります。
Sabine Hossenfelder はの著者です 数学で失われた:美しさが物理学を迷わせる方法。 彼女はフランクフルト高等研究所のリサーチ フェローであり、標準モデルを超えた物理学、現象論的量子重力、一般相対性理論の修正に取り組んでいます。
