コラムニストのナタリー・ウォルチョーバーは、この分野が深刻な危機に陥ってから10年以上が経った今、素粒子物理学者たちに話を聞いた。
大型ハドロン衝突型加速器では、新しい物理学は発見されていません。さてどうする？
クリスティーナ・アーミテージ/クアンタ・ マガジン
はじめに
2012 年 7 月、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の物理学者たちは、長らく探し求められていた亜原子世界の要であるヒッグス粒子の発見を意気揚々と発表しました。ヒッグス粒子との相互作用により、他の素粒子に質量が与えられ、原子に集合するのに十分な速度が低下し、その原子が凝集して他のあらゆるものを作ります。
数か月後、 私はクアンタとなる新興科学雑誌の最初のスタッフ記者としての仕事に就きました。 。ドラマが盛り上がり始めたちょうどそのときに、私は物理ビートを始めていたことがわかりました。
このドラマはヒッグス粒子に関するものではありませんでした。 LHCでそれが実現した時には、その存在についてはすでにほとんど疑いがありませんでした。ヒッグス理論は、素粒子物理学の標準模型、つまり 25 の既知の素粒子とその相互作用を支配する 1970 年代の方程式の最後の部分でした。
さらに衝撃的なのは、データからは明らかになっていないことです。
物理学者たちは、標準模型を確認するためだけでなく、より完全な自然理論の構成要素を明らかにすることで標準模型に取って代わるためにも、全長 27 キロメートルのスーパーコライダーの建設に数十億ユーロを費やしました。標準モデルには、たとえば暗黒物質を構成する可能性のある粒子は含まれていません。なぜ宇宙では物質が反物質よりも優勢なのか、そもそもなぜビッグバンが起こったのかは説明されていません。さらに、ヒッグス粒子の質量 (原子の物理的スケールを設定する) と、プランク スケールとして知られる量子重力に関連するはるかに高い質量エネルギー スケールとの間には、説明のつかないほどの巨大な差があります。物理スケール間の溝 (原子はプランク スケールよりもはるかに大きい) は不安定で不自然に見えます。 1981 年、偉大な理論家エドワード ウィッテンは、この「階層問題」の解決策を考えました。それは、ヒッグス粒子よりわずかに重いだけの追加の素粒子の存在によって平衡が回復されるというものでした。 LHC の衝突は、それを引き起こすのに十分なエネルギーがあったはずです。
しかし、陽子がトンネルの周りを往復して正面から衝突し、破片が周囲の検出器に飛び散ったとき、標準モデルの 25 個の粒子だけが観察されました。他には何も表示されませんでした。
「新しい物理学」、つまり既知のものを超えた粒子や力が存在しないことが、危機を助長しました。 「もちろん、残念なことです。」素粒子物理学者のミハイル・シフマンは、2012 年の秋に私にこう言いました。「私たちは神ではありません。預言者でもありません。実験データから何らかの導きがないのに、どうやって自然について何かを推測することができますか?」
階層問題に関する標準的な推論が間違っていることが判明すると、新しい物理学がどこで見つかるかわかりません。それは簡単に実験の範囲を超えてしまう可能性があります。素粒子物理学者のアダム・ファルコウスキーは当時、私に、より重い粒子を探索する方法がなければ、この分野はゆっくりと衰退するだろうと予言しました。「素粒子物理学の仕事の数は着実に減少し、素粒子物理学者は自然に絶滅するだろう。」
この危機とその余波により、何年にもわたって興味深い報道が行われましたが、案の定、素粒子物理学に関連するニュース記事の頻度は減少しました。情報源と連絡が取れなくなりました。 13 年以上が経ち、Quanta Magazine の新しいエッセイ シリーズ、Qualia の最初のコラムです。 , 在庫を調べています。ファルコウスキーが予言したように、素粒子物理学は滅びつつあるのだろうか？新しい物理学はまだ見つかるのでしょうか?素粒子物理学者の将来はどうなるでしょうか?人工知能は役立つでしょうか？宇宙に残された多くの謎に対する答えを探すには、どれだけの希望が残されているでしょうか?
素粒子物理学者の中には、まったく危機が存在していないかのように振る舞う人もいます。 LHC は現在も稼働しており、少なくともあと 10 年は継続し、運営者は新たな熱意の源を見つけています。
ここ数年、衝突型加速器でのデータ処理は AI の使用により改善されました。パターン認識装置は、陽子衝突の破片を分類し、人間が作成したアルゴリズムよりも正確に衝突イベントを分類できます。これは、物理学者が「散乱振幅」、つまりさまざまな粒子の相互作用が発生する確率をより正確に測定するのに役立ちます。たとえば、AI システムは、ボトム クォークの数に対して衝突後に生じるトップ クォークの数をより正確に判断できます。標準模型の予測からの統計的逸脱は、未知の素粒子の関与を意味する可能性があります。
2012 年に CERN のコンパクト ミュオン ソレノイドによって記録された陽子と陽子の衝突は、ヒッグス粒子の崩壊の証拠を示しています。
CMS コラボレーション。トーマス・マッコーリー
ヒッグス粒子のように重い新粒子は、それほど微細ではありません。それらはデータプロット上に顕著な隆起としてすでに現れているでしょう。しかし、ハーバード大学所属の素粒子物理学者マット・ストラスラー氏が私に説明してくれたように、より軽い新奇な粒子の痕跡は、データのいわゆる隠れた谷の中に依然として存在する可能性がある。 「そこには膨大な量の未踏の領域がある」と彼は言う。たとえば、時々発生し、すぐに崩壊して過剰な数のミューオンと反ミューオンのペアになることで痕跡を残す、不安定なタイプのダークマター粒子が存在する可能性があります。このような過剰を検出することは、不安定な粒子の存在を間接的に示すことになります。 「新しい物理学はすべて高エネルギーであると考えていた人々にとって、彼らは今非常に失望している」とストラスラー氏は語った。 「私はその考えには同意しません。自然には低エネルギーでも手がかりを提供してくれる機会がたくさんあります。」
しかし、これまでのところ、新しい物理学のそのような間接的な証拠は検出されていません。 LHC での統計が正確になるにつれて、統計は標準モデルとよりよく一致します。 LHCを収容する研究所であるCERNの素粒子物理学者ミケランジェロ・マンガーノ氏は、今日の衝突型加速器は標準モデルの予測を探索するためのツールのようなものであり、方程式のすべての結果を計算するのが簡単ではないため、この探索は価値があると考えていると述べた。標準模型を超える新しい物理学の探求は進行中ですが、「肯定的な結果が得られないという事実は、私たちが行き詰まったり、行き詰まったり、時間の無駄を意味するわけではありません。」
とマンガノ氏は述べました。これらの質問は非常に基本的なものであるため、もちろん、私たちにはそのためのツールがあるので、すべての振幅を特定し、すべての隠れた谷をチェックする価値があります。しかし、新しい物理学のハンターにとって、ゲームはそこで終わるのでしょうか?
コミュニティはさらに拡大したいと考えています。 CERNの物理学者らは、より高いエネルギーを調査し、より微細な信号を探すために、フランスとスイスの国境の下に91キロメートルのトンネルを設け、LHCの周囲を3倍にする将来の円形衝突型加速器を建設したいと考えている。このFCCは最初に電子を衝突させるが、電子は陽子とは異なり、それ自体が基礎構造を持たない素粒子である。それらのクリーンな衝突により、散乱振幅のより正確な測定が可能になり、FCC は新しい物理学の間接的な兆候に対して非常に敏感になります。今世紀末までに、巨大衝突型加速器は、現在の LHC と同様に、陽子を衝突させるようにアップグレードされるでしょう。陽子の衝突はもっと厄介だが、FCCでは前例のないエネルギー（LHCが現在集められるエネルギーの約7倍）を達成することになるため、たとえわずかではあるが、LHCが届かない重粒子を明らかにする可能性がある。 (理論的には、粒子の質量は、LHC エネルギー スケールが直接生成できる質量の最大 100 万倍に及ぶ可能性があるため、次の曲がりのあたりで粒子質量が発生すると予想する理由はありません。)
現時点では、FCC の運命は不明です。加盟国による正式な承認と資金提供の約束は、2028 年までには実現しません。
一方、米国の素粒子物理学者は、全く新しいタイプの機械であるミュオン衝突型加速器を構築することで、欧州の戦略を補完することを目指している。ミュオンは電子と同様に単体ですが、200 倍重いので、その衝突はクリーンでエネルギー的になります (LHC の衝突エネルギーには達しませんが)。この新しいタイプの機械のセールスポイントと課題の両方は、ミューオンが非常に不安定であるため、大規模な技術革新が必要になることです（あらゆるスピンオフの可能性を伴う）。作成後、わずかマイクロ秒以内に加速して衝突させる必要があります。
技術の実証と衝突型加速器の建設にはおよそ 30 年かかり、それには連邦政府の資金が必要です。カリフォルニア工科大学の物理学教授で、2025年6月に発表されたミュオン衝突型加速器計画を支持する国家報告書を作成した委員会の共同委員長であるマリア・スピロプル氏は、「我々は100億から200億[ドル]の範囲内でそれを実現する方法を考え出す必要がある」と語った。エネルギー省は今後数年かけて、競合する科学プロジェクトではなく、この提案に資金を提供するかどうか検討する予定だ。 LHC の訴訟にとって痛手となるのは、LHC がヒッグス粒子に関して持っていた「発見の保証」が欠如していることです。
科学者と技術者は、2018 年に始まった長期停止 2 中に大型ハドロン衝突型加速器のシステムを検査し、アップグレードしました。
マクシミリアン・ブライス/CERN
しかし、数理物理学者のピーター・ウォイトが自身のブログでこう考えています。「おそらく、すべてが億万長者の技術者たちによって管理される新しい世界秩序では、資金調達は問題にならないでしょう。」
中国のスーパーコライダーに関する議論は無駄になったと聞いている。代わりに、中国は「スーパータウ魅力施設」、つまり数百億ドルではなく、わずか数億ドルの費用がかかる低エネルギー粒子散乱実験を追求することを決定した。この施設では、タウがミュー粒子や電子に形状変化するかどうかを研究するために、大量のタウ粒子とチャームクォークを生成する予定です。この種の切り替えは標準モデルでは予測されていませんが、標準モデルの理論的拡張では実際に発生します。
わかりました、確認してみましょう。私たちは新しい物理学を切望しており、価格も手頃です。しかし、本来、暗闇の中でどの写真を撮る価値があるかを判断するのは非常に困難です。
2012 年に素粒子物理学の終焉を告げたアダム・ファルコウスキー氏は、かつて自身のブログ「Résonaances」で提供した鋭い解説で知られていました。しかし、パリを拠点とする素粒子物理学者は、2022 年以降何も投稿していません。その理由の 1 つは、父親であることに縛られているからであり、もう 1 つは、あまり言うことがなかったからだと彼は言いました。
私たちがビデオ通話に応じたとき、ファルコウスキー氏は私にこう言いました、「私は将来の衝突型加速器について非常に懐疑的です。私にとって、それに興奮するのは非常に難しいです。」彼は CERN の FCC キャンペーンの背後に勢いがあると見ていますが、個人的には、莫大な費用と期間、そして「次の衝突器の到達範囲内に何かがあるという兆候がまったくない」という事実を懸念しています。
ファルコウスキー氏は、散乱振幅の理論的研究に目を向けた。これは、粒子相互作用統計の基礎となる幾何学的パターン、量子の世界についてのより真の視点を指し示す可能性のあるパターンに焦点を当てた成長研究分野である。この分野は、この言語が量子重力にも拡張できることを期待して、素粒子物理学の方程式を別の数学言語で再定式化しようとしています。 「物理理論の構造を理解しようとする非常に活発なプログラムがあります」とファルコウスキー氏は語った。 「機械学習の助けを借りて、今後数年間で非常に速い進歩が見られることが期待されています。ここで最良のことが起こったと思います。」
しかし、この分野で知られる振幅学は抽象的なものであり、原子を粉砕する実験ではありません。ファルコウスキー氏は、実験的な素粒子物理学は滅びつつあると確かに考えていると語った。彼は、才能あるポスドクが他の研究分野に転向したり、データサイエンスの仕事に就いたりするのを見てきました。 「彼らが以前のように最高のものを手に入れているかどうかはわかりません。利益の見通しがあまりにも遠いからです。今世界を変えたいなら、AI をやることになります。素粒子物理学とは違うことをやることになります。」
大型ハドロン衝突型加速器にある ALICE (大型イオン衝突型加速器実験) 検出器は、クォーク グルーオン プラズマを研究するために設計されました。
CERN、ジュリアン・マリウス・オルダン/科学情報源
この頭脳流出は現実のもののようだ。チャットボット Claude を開発した Anthropic の共同創設者、Jared Kaplan に話を聞きました。私たちが最後に話したとき、彼は物理学者でした。 2000 年代にハーバード大学の大学院生として、彼は有名な理論家ニマ アルカニハメドと協力して、今日積極的に進められている振幅研究の新しい方向性を切り開きました。しかし、カプラン氏は2019年にこの分野を離れた。「私がAIに取り組み始めたのは、AIが歴史上、科学のほぼどの分野よりも速く進歩するという考えが私にとってもっともらしく思えたからです」と彼は語った。 AI は、「私たちが生きている間に起こる最も重要なこと、おそらく科学の歴史の中で起こる最も重要なことの 1 つです。したがって、私がそれに取り組むべきであることは明らかだと思いました。」
カプラン氏の見解では、素粒子物理学の将来については、AI によって心配するのはもはや無意味になっています。 「私たちが10年のタイムスケールで何を計画しているかは、ある意味無関係だと思います。なぜなら、10年後に衝突型加速器を作るとしたら、AIが衝突型加速器を作ることになるでしょう。人間が作ることはないからです。2、3年後には、理論物理学者はほとんどAIに取って代わられる可能性が50%くらいあると思います。ニマ・アルカニ＝ハメドやエド・ウィッテンのような優秀な人々は、AIが彼らの論文と同じくらい優れた論文を生成するでしょう。」 …ですから、この数年のタイムスケールを超えて計画することは、あまり考えていません。」
CERN の理論グループの博士研究員であるカリ・セザロッティ氏は、その将来については懐疑的です。彼女は、チャットボットの間違いと、チャットボットが物理の学生にとってあまりにも大きな足かせになっていることに気づきました。 「AIのせいで人々の物理学はますます苦手になっています」と彼女は言う。 「私たちに必要なのは、人間が教科書を読み、座ってヒエラルキーの問題に対する新しい解決策を考えることです。」
ヒッグス粒子が発見されたとき、チェザロッティは高校３年生だった。彼女は、LHC 以前は世界最高エネルギーの粒子衝突器であったテバトロンを収容するイリノイ州の米国国立研究所、フェルミ研究所の近くで育ちました。 （トップクォークは 1995 年にそこで発見されました。）この近さにより、彼女は素粒子物理学者になれることを学びました。後で、 それは彼女であることが判明しました。 事。 「宇宙の基本的な構成要素は何ですか。それらは私が答えを知りたいと最も興味を持っていた質問でした」と彼女は私に言いました。 「しかし、人々が言ったのは、『素粒子物理学は終わった。こんなことはやめなさい』ということでした。」
それは正当な警告だったのかもしれない。チェザロッティ氏はまだ、新進気鋭の素粒子物理学者として定職に就いていない。同氏らによると、教員採用委員会や大学院生が別の方向に進むにつれて、この分野は縮小し続けているという。 「何も見つからないから諦めるべきだというレトリックは間違いなく、人々は耳を傾けました」と彼女は語った。 「そしてもちろん、それは人が減っていることを意味します。それは自己成就的な予言になってしまいます。これらの問題を解決する努力からこれらすべての才能ある人材を追い出し、より影響を与えやすい分野に移すことは、自分自身を失敗に導くことになります。」
チェザロッティは、私が他の人から聞いた意見に同調しており、これは私にとっても正しく聞こえます：「素粒子物理学は死んだわけではありません。ただ難しいだけです。」何を考えるべきか、何を探せばよいのかを知るのは難しいです。しかし、最も熱心な素粒子物理学者は、すべて同じことを考え、同じように考えています。
「125年間は簡単だった」とストラスラー氏は語った。 「一つのことが次の世紀につながった。その幸運な世紀は、今のところ、少なくとも中期的には終わりを迎えた。それは明日、来世紀、あるいは誰にも分からないかもしれない。」
新しい軽量粒子のヒントは、理論的には、LHC または他の実験で現れる可能性があります。ストラスラー氏は、基本定数の変動を明らかにする可能性がある放射性トリウム 229 崩壊の研究に特に興奮しています。私は、非常に軽量であるため光そのもののように振る舞うことができる暗黒物質の候補である「アクシオン」を探す実験に少し興味があります。
理論面では、階層問題に対する明白な解決策は、散乱振幅の背後にあるジオメトリから自然に抜け出す可能性があります。あるいは、カプランの言うことが正しければ、AI システムはいつか、標準モデルの 25 の粒子がより包括的なパターンにどのように適合するかについて、強力な新しいアイデアを提案してくれるかもしれません。この可能性は、危機が始まった頃には予想できませんでした。
明らかに、素粒子物理学では、真実に向けてさらなる進歩が可能です。しかし、発見される保証はありません。私はそれについて 13 年以上考えてきましたが、依然として不安な見通しです。自然の基本的な法則や構成要素について収集できる経験的な手がかりはすべて、すでに手に入れられているかもしれません。宇宙は残りの秘密を守ることを計画しているのかもしれません。
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