ヒッグス工場：物理学者がミュオンとの新たな衝突を調査|物理

1983年にW粒子とZ粒子を発見した大胆な衝突型衝突実験のリーダーであるカルロ・ルッビア氏は、素粒子物理学者は革新的な「ヒッグス工場」でミュー粒子を粉砕すべきだと考えている。

7 月にドイツで開催された第 69 回リンダウノーベル賞受賞者会議で講演するカルロ・ルッビア氏。

リンダウプレス

はじめに

すべての世界は 17 の既知の素粒子から構築されています。カルロ・ルッビア氏は、そのうちの 2 つを発見したチームを率いました。 1984年、ルビア氏は、その前年にW粒子とZ粒子を発見した実験への「決定的な貢献」により、サイモン・ファン・デル・メール氏とノーベル物理学賞を分け合った。これらの粒子は、放射性崩壊を引き起こす弱い力と呼ばれる 4 つの基本的な力の 1 つを伝えます。

ルッビア氏は、地下エリア 1 (または UA1) と呼ばれる実験を実施しました。この実験は、ジュネーブ近郊の CERN 研究所で、高エネルギー粒子衝突の混沌の中で W 粒子と Z 粒子の痕跡を探すという大胆かつ野心的なプロジェクトです。数千億個の陽子と反陽子が光速近くまで加速され、衝突しました。当時、反陽子は物質と接触すると急速に自らを破壊する性質があるが、大量に生成されたことはなかった。ルビア氏の同僚の中には、反物質は揮発性が高すぎてこの方法で制御できないと信じて、代替の衝突型加速器や検出器の設計を支持する人もいた。

「私たちには無数の異なるアイデアがありました。多くの競争がありましたが、同時に 2 つのことを行うことはできません」とルッビア氏は言いました。最終的には、UA1 が勝利し、成果が得られました。

30 年以上が経ち、素粒子物理学は再び岐路に立たされています。たとえ実際に実験が行われたとしても、次にどの大きな粒子衝突実験を構築するかについては、決定が迫られている。 CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は完璧に動作しましたが、その衝突では予想される 17 個を超える新しい粒子の兆候は得られませんでした。その特性と相互作用は素粒子物理学の標準モデルで記述されています。このモデルは粒子の挙動について信じられないほど正確に予測しますが、私たちの世界の不完全な記述であることも理解されています。それには、重力や暗黒物質（天文学者が通常の物質の約5倍存在すると考えている謎の物質）や、宇宙の物質と反物質の不均衡の説明が含まれていません。さらに、多くの理論家は、なぜクォークとレプトンに 3 つの族があるのか、粒子の質量は何によって決まるのかなど、標準模型自体の基本的な真実を説明できないことに不安を感じています。

85歳の今もこの分野の最前線に立つルビア氏は、LHCデータに「新しい物理学」が存在しないことにも動じていない。彼は同僚たちに、より多くの、より良いデータを求めて突き進み、答えが得られることを信じてほしいと勧めています。標準模型パズルの 17 番目のピースであるヒッグス粒子は 2012 年に LHC で実現しました。現在、ルビア氏は最先端の「ヒッグスファクトリー」を使ってその特徴を深く探求したいと考えています。

これをどのように行うのが最善であるかは依然として議論の余地があり、周囲 100 キロメートルの円形の電子陽電子衝突型加速器から、急速に加速するプラズマの波に乗って電子を「サーフィン」する卓上実験であるプラズマ航跡場加速器に至るまで、さまざまな設計が競合しています。ルビア氏にとって、選択は明らかだ。革新的なミュオン衝突型加速器なら、他の実験に比べて数分の１の時間と費用で、クリーンな状態で数千個のヒッグス粒子を生成できる可能性がある、と彼は言う。ミュオンは電子と同様に単純ですが、はるかに重いため、より高エネルギーの衝突が可能です。批評家たちは、そのような機械は私たちの現在の技術能力をまだはるかに超えていると言う。しかし、これは技術的なムーンショットかもしれませんが、ミュオン衝突器は、標準模型を超える新しい粒子の証拠を発見する可能性もある精密機器の可能性をもたらします。

ルッビア氏は、1989年からの5年間の事務局長勤務を含め、長いキャリアのほとんどをCERNで過ごしてきた。また、母国イタリアのグランサッソ国立研究所でも指導的な役割を果たし、陽子の崩壊の兆候を探している。 (これが見られれば、標準模型を超えた物理学に関する手がかりも得られるでしょう。) エンジニアであり、常に発明を行っているルビア氏は、過去 30 年間の一部を、粒子加速器によって駆動される原子炉などの根本的に新しいエネルギー源の追求に費やしてきました。

クアンタ 先月ドイツで開催された第69回リンダウ・ノーベル賞受賞者会議でルビア氏に追いついた。そこで彼は、世界中から集まった何百人もの若い科学者に向けて、宇宙の基本的な構成要素についてさらに学ぶための最善の策としてミュオン衝突型加速器を主張しました。鋭い服装をし、鋭い青い目をした彼は、ステージ上でもオフでも熱心に話しました。インタビューはわかりやすくするために要約および編集されています。

W ボソンと Z ボソンを発見しました。これがなぜ重要な発見だったのでしょうか?

はぁ！そんな質問聞いたことない！粒子加速器は、基本的に好奇心が原動力となる科学プログラムの重要な部分です。そして、W ボソンと Z ボソンの発見は、素粒子物理学の非常に長い歴史における 1 つの結論でした。クォークやレプトンのような物質の粒子があり、それらは実験的にかなりよく解決されましたが、力の問題、つまり物質の粒子間の相互作用を仲介する粒子はまだ理解されていません。

さて、W と Z は多くの人々によって仮定され、議論されましたが、実験的な実現には、少なくとも当時は非常に高いエネルギーが必要でした。これらの基本的な選択は個人からではなく、自然から来ていることを忘れないでください。理論家は好きなことをすることができますが、最終的に決めるのは自然です。

7月のリンダウ会議でのルッビア氏（左）。

トーマス・ルートン、Quanta Magazine に寄稿

それでは、どのようにしてそのような高いエネルギーを生み出したのでしょうか?

私たちはまず、単一の加速器を使用する代わりに衝突ビーム装置を構築する方法を学ばなければなりませんでした。そこで私たちは、CERN にある既存の円形加速器を改造して、粒子と反粒子を注入できるようにしました。

反陽子は数年前にバークレーでほとんど発見されておらず、反陽子はほんの一握りの粒子しか作らなかったため、反陽子の蓄積の問題は深刻な問題でした。ここでは毎朝 1,000 億個の粒子を生成する必要がありました。それだけでなく、円形加速器の中に収まるように、非常に大きな冷却が必要でした。レオン・ヴァン・ホーヴ、ジョン・アダムス、その他の方々の多大な援助とサポートに感謝しなければなりません。彼らなしでは不可能だったでしょう。

数年後、私たちは最終的に W と Z のエネルギー領域に入りました。そして、実際にそれらはそこにありました。しかし、陽子と反陽子の衝突は非常に複雑な衝突でした。他にもたくさんのやりとりが起こっていたので、さらに先に進みました。私たちは CERN の施設を陽子・反陽子衝突型加速器から電子・陽電子衝突型加速器に改造し、全長 27 キロメートルの大型電子・陽電子衝突型加速器実験という新しいリングを建設しました。これにより、何万もの W ボソンと Z ボソンが、すべて完璧でクリーンな状態で生成されました。それがさらに多くのノーベル賞につながり、W と Z の物語が完成しました。もちろん、欠けているピースがもう 1 つあります。それはヒッグス粒子です。

しかし、ヒッグス粒子はすでに見つかっているのではないでしょうか?

はい、それは6年前のことでした。ここでの問題は、どうすればヒッグス粒子をクリーンな状態で大量に生成できるかということです。そしてそれには斬新さが求められます。

ヒッグス粒子は、自然の基本的な力の中で私たちが持つ最初で唯一のスカラー粒子です。つまり、サイズだけがあり、方向はありません。すべての粒子には異なるストーリーがあるため、それを独自に研究して理解する必要があります。他の力とは異なり、ヒッグス場には優先方向がなく、鏡に反射すると同じように見えます。それを理解することは、少なくとも W と Z の観察と同じくらい重要です。これで、標準模型における素粒子の話は終わります。

時間とリソースを「ヒッグス工場」に集中すべきだということに誰もが同意するわけではありません。彼らは、新しい粒子を探索するために次のエネルギーフロンティアに進むことが優先されるべきだと主張しています。

電子と陽電子を衝突させるために、大型ハドロン衝突型加速器の 3 倍の大きさの円形の機械を構築することができます。 LHC をアップグレードしたり、次世代の線形加速器を構築したりすることもできます。より高いエネルギーを探ることは、新しい物理学の希望をもたらします。それは超対称性である可能性もあれば、何か別のものである可能性もありますが、それはわかりません。しかし、より高いエネルギーを探索する前に、ミューオン衝突器を構築し、最初にヒッグスの問題を明確にすることは私にとって理にかなっています。ここには、探索したい粒子がすでにあります。ヒッグスを非常に正確に研究することで、新しい物理学の兆候を発見することさえできるかもしれません。そのためには、周囲100キロメートルのトンネルに行く必要はありません。 100キロ歩くのに何日かかるかを考えてみましょう。そして、すべてが非常に機能的である必要があり、すべての部分が機能する必要があります。人々がそれを機能させることに成功すれば、それは奇跡です。

1950 年代にエンリコフェルミが、2000 年までに加速器リングは地球一周になるだろうと述べたことを思い出してください。もちろん、これはばかげた発言ですが、一理はあります。私たちは、達成されるかもしれないが 20 ～ 30 年かかるであろう、マストドニックな巨大デバイスの実現にリソースを向けるべきでしょうか?ヒッグス粒子を発見するまでに100億ユーロと20年かかりました。したがって、さらに先に進みたい場合は、よりコストがかかり、より複雑になります。

解決策があることは疑いの余地がありません。ミューオンペアを作成することです。ミューオン実験は、LHCの100分の1の小さなリングです。それは既存の加速器で行うことができます。CERN と欧州核破砕源はどちらも、十分な数のミュオンを生成するのに十分な陽子を生成できます。

簡単そうに聞こえますね。既存の粒子衝突器で使用できるように、ミューオンの狭いビームを作成する、つまりミューオンを「冷却」するのは、依然として非常に難しいことではないでしょうか?

はい、大きな課題はありますが、私の見解では、重大なリスクを意味する大きな課題はありません。私たちは、非常に小規模で行われるいわゆる初期冷却実験を提案し、そこですべての基本的なアイデアの構築を開始します。ミューオン冷却の挙動については多くのテストと検証が必要ですが、数年以内に完了できます。

そこから大きな機械に移行するのは、従来の技術でできることです。そして、それは比較的低コストで、もちろん賢い人によって、かなり短時間で実行できます。やるべきことはたくさんありますが、状況を改善するために新しい作業をすることに何の問題があるのでしょうか?

予想されるヒッグス粒子を除いて、新しい粒子が LHC に現れなかったことを考えると、次の加速器が新しい物理学を発見する可能性はどのくらいでしょうか?

実は加速器だけでなく、他にも面白い実験があります。たとえば、南極で行われているニュートリノ実験は、より大規模で複雑な加速器システムの製造に代わる新たな選択肢になりつつあります。そして、この 2 つの間の競争は非常に生産的だと思います。それは今後何年にもわたる結果を生み出すでしょう。

私は、CERN における素粒子物理学の将来に、LHC プログラムの終了後、今のところ新たな代替手段が関与していないことを少し懸念しています。私が CERN で活動の責任者を務めていたとき、マシンが 1 台あれば次のマシンが来ていました。私たちはもっと勇気を持って、代替案について集団で合意する必要があります。

ファシズムの下で育ち、第二次世界大戦を経験したことは、あなたの人生にどのような影響を与えましたか?

当時のヨーロッパが何だったのか知りません。私が 4 歳のとき、父が作ったラジオを持っていたことを覚えています。当時のラジオは、アンテナやその他すべてを備えた非常に複雑なシステムでした。そしてラジオでヒトラーの叫び声が聞こえた。そして戦争が始まり、数年間で8,800万人が命を落としました。私たちは皆、このひどい状況にさらされ、完全にゼロになってしまうほどの途方もない事態にさらされました。そして、私たちは立て直さなければなりませんでした。

それでも、あなたはすべての仕事において楽観的な姿勢をとっているようですね。

ああ、はい、私はとても楽観的です。楽観的にならないわけにはいきません。このような複雑な歴史の変遷を経て、最も重要なことは楽観主義であり、それ以来ヨーロッパは大きく進歩しました。科学によるヨーロッパの統合は驚異的です。これは非常に重要な成功であり、単一国家、つまりお互いを憎み、争い、戦争状態から、ヨーロッパ内で完全な合意が得られる状況に至るというものです。

1984 年に CERN 研究所に出席したカルロ・ルッビア氏。この年、彼は前年に W 粒子と Z 粒子を発見した実験を主導し、ノーベル物理学賞を受賞しました。

Keystone Press / Alamy ストックフォト

あなたは 1960 年に CERN に移るまで、米国で数年間研究をしていました。ヨーロッパに戻ってきた理由は何ですか?

私が CERN で働きたいと思ったのは、ヨーロッパの性質を完全に捨ててアメリカ国民になる準備ができていなかったからだ。私のヨーロッパ人の同僚の多くはアメリカに移住し、合法的で完全に受け入れられるアメリカ国民になりました。でも、私は自分のやり方で物事を進めるのが好きなので、ヨーロッパは進歩できる場所だと感じて、戻ってきたいと思いました。実際、過去数十年間の素粒子科学はヨーロッパのものでした。

素粒子物理学とは別に、あなたは持続可能なエネルギー技術の追求にも深く関わってきました。それはなぜですか?

私が生きている間に、地球の人口は 3.5 倍増加しましたが、一次エネルギー使用量は 12 倍に増加しました。そして、今日生まれた子供たちが、私たちに加えてさらに 12 倍を賄えるわけがありません。したがって、持続可能なエネルギーは重要な問題であり、それを解決できる新しい方法があることを知るのは非常に興味深いことです。

あなたなら、どのような斬新な方法でお金を注ぎますか?

再生可能エネルギーと化石燃料があり、原子力も少しあります。このうち、天然ガスは非常に豊富です。通常のガスだけでなく、シェールガスやクラスレートもありますが、これについてはおそらくご存じないかもしれません。これらは深海の天然ガスと水の混合物であり、その量は従来の天然ガスの 10 倍です。したがって、私たちは何千年にもわたって十分な天然ガスを持っています。

もちろん、天然ガスは二酸化炭素を生成しますが、それが今日誰もが抱いている最大の懸念です。では、どうすれば二酸化炭素を排出せずにこれらのものを生産できるのでしょうか?私たちはメタンを取り出して二酸化炭素を生成する代わりにブラックカーボンと水素を生成することで二酸化炭素の排出を防ぐ方法を開発しました。原理的には、この分解は摂氏約 2,000 度の非常に高い温度で発生し、使用することは不可能ですが、これらの新しい金属を使用した新しい方法を使用すると、1,000 度で行うことができます。

あなたは、飛躍的に変化するテクノロジーを推進することが多いようです。

実験物理学は好奇心による観察に基づいています。他の人と同じことをしてはいけません。何かユニークなことをしなければなりません。なぜなら、それによって自分自身で間違いを犯したり、物事を修正したりできるからです。正しい解決策にたどり着くまでに 25 回考えを変える必要があります。これが、この分野で私が実践的に進める方法です。