2013ノーベル物理学賞とILC

ILC通信 72号pdf

2012 年7 月4 日、CERN において、ATLAS 実験グループとCMS 実験グループが“ ヒッグスらしき粒子” の発見を発表した時の フランソワ・アングレール氏(左)とピーター・ヒッグス氏。(画像:Maximilien Brice/CERN)



多くの人にとって「予想通り」の結果だったかもしれない。また、早過ぎると思った人もいただろう。その「証拠」が発見されたと発表されたのは今年3月、そして論文の発表による確定にいたっては、ノーベル物理学賞発表の前日のことだったからだ。「証拠」とは、欧州合同原子核研究機関(CERN)の大型ハドロンコライダー(LHC)を用いたATLAS 実験、CMS 実験で発見された新素粒子「ヒッグス粒子」のことだ。

  2013 年10 月8 日(火)、ノーベル財団は、フランソワ・ア ングレール、ピーター・ヒッグスの両博士にノーベル物理学賞を 授与すると発表した。受賞理由は素粒子の質量にはメカニズムに よる起源があるという理論的予測である。このメカニズムは「ヒッ グス機構」と呼ばれることが多い。しかし、ノーベル財団はこの 質量の起源となるメカニズムのことを、「BEH 機構」と呼んだ。 B は1964 年のアングレール氏の論文の共著者で、2011 年に亡 くなったロバート・ブラウト氏の頭文字、E はアングレール氏 の頭文字、H はヒッグス氏の頭文字。「ヒッグス氏だけではない」 ということだろう。しかし、このメカニズムを1964 年に論文で 発表したのは、実はこの 3 人だけではない。ジェ ラルド・グラニクル、カー ル・ヘイゲン、トーマス・ キッブルの3 氏も同年、 共著で論文を発表してい るのだ。ノーベル賞が授 与されるのは3 名のみ。 誰が受賞するのか、注目 が集まっていた。

 ヒッグス粒子の発見が 画期的であった理由のひ とつは、この粒子の存在 は、純粋に数学的考察か ら理論的に予言されたこ とだ。「ヒッグス粒子」 と いう謎の新粒子について は、その存在を直接示唆 する実験的事実は一切見 つかっていなかったのだ。 いわば、数式を根拠にし た「想像の産物」。この粒子の存在を信じていなかった物理学者 も多かったのだ。東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構(IPMU) の村山斉機構長もその1人である。「そんな粒子があると考える ことは、とても気持ちが悪かったのです。ヒッグス粒子は、今ま で見たことの無い『カオナシ』のような粒子だからです」(村山氏)。

 この世界の全ての物質の間に働く4 つの力のひとつ「弱い力」 を伝える粒子はW 粒子とZ 粒子だ。これらの粒子はとても重た く、W 粒子はなんと陽子の80 倍以上の質量を持っている。とこ ろが、当時知られていた理論をどう使ってもW とZ 粒子は質量 がなく、素粒子に弱い力が働いている時の法則を導き出すことが できないのだ。そこで、アングレール・ヒッグス両氏は、元々は 質量ゼロの粒子が、あるメカニズムによって質量を持つように なったと仮定すると、 弱い力の理論がつくれると考えた。そして、 この「あるメカニズム」が働いているならば、新しい素粒子が見 つかるはずだと予測したのである。つまり、新粒子が発見されれ ば、このメカニズムが働いている証拠になる。その決定的証拠に なったのが、LHC 実験が発見した「ヒッグス粒子」である。

 この理論はその後、W 粒子とZ 粒子だけではなく、電子やトッ プ・クォークなど、他の粒子についても「質量を持つ」という基 本的な性質が、メカニズムによって与えられたものである、とい う考えに発展し、標準理論と呼ばれる理論体系が作られて来た。 まさに現代素粒子物理学の土台となる考えなのだ。しかしこの「あ るメカニズム」、ひと言で片付けられるような簡単な仕組みでは ない。非常に複雑な計算を経てたどり着く理論であるため、村山 氏のような「気持ち悪さ」を未だに感じている科学者も多いと言 う。とはいえ、これまでの実験の結果は0.1 パーセントの誤差で この理論が正しいことを示していたのだ

 ノーベル物理学賞の発表は予定時刻の日本時間8 日午後6 時 45 分を大幅に遅れた。その理由については「CERN にも賞を授 与すべきだという議論があったから」という説もある。物理学賞 を含むノーベル賞の自然科学分野3 賞は、これまですべて個人 の業績に与えられており、研究所が受賞したことは無い。発表遅 延の真相は明らかではないが、研究所に対する賞の授与が議論と なることは、特に素粒子物理学という分野では当然の流れという ことが出来るだろう。現代物理学を推進するために必要される加 速器実験は、大規模化・グローバル化が進んでいる。もはや受賞 者を3 名にしぼることは不可能とも言えるだろう。

 実験で理論が検証された時に、その理論を提唱した物理学者に ノーベル賞が授与される、という最近の流れから「ヒッグス粒子 は発見されてしまったから、ILC の実験ではノーベル賞は取れ ない」という声も聞かれる。もちろん、研究自体はノーベル賞を 目指して行われているわけではないが、このような「お墨付き」が、 研究の大きな後押しになることは否めない。ILC の研究からは ノーベル賞は出ないのだろうか? ILC の研究はヒッグスの精密 測定だけではない。ダークマターや、現在私たちが認識できてい る4 次元を超える「余剰次元」の存在や、他の素粒子と比べて飛 び抜けて重たいトップ・クォークはどうしてそんなに重いのか? といったILC で挑戦する大きな課題は多い。さらに、まだ誰も その存在を予言していない粒子が発見される可能性もある。ILC は、素粒子の衝突する反応がとてもクリアなので、LHC では見 逃してしまうような現象でも発見することが可能なのだ。そんな 新発見がILC から生まれたとき、ノーベル財団はようやく「個 人3 名までに授与」というルールを変更するのかもしれない。

 村山氏は「私は別のノーベル賞がLHC での実験にふさわしい と本気で思っています」と言う。それはノーベル平和賞だ。両実 験では、政治紛争中の国出身の研究者同士が、共通の目標を達成 するためにともに働き、素晴らしい成果を達成した。これは、基 礎科学が、個人や国家の利益を追求するために推進される活動で はないことから可能になったといえるだろう。「加速器科学の推 進は、真の平和の象徴であるといえるでしょう」(村山氏)。



ILC NewsLine ダイジェスト

ILC とCLIC 研究者グループが隔週で発行しているニュースレタ<ー「LC NewsLine」に掲載された記事から、ILC 通信編集部セレクトのおすすめ記事を要約版でお届けします。元記事は、ウェブサイトでご覧頂けます。
英語:http://newsline.linearcollider.org/
日本語訳:http://ilchighlights.typepad.com/japan/

2013 年10 月10 日号  やった!村山 斉 LCC 副ディレクター

 2013 年ノーベル物理学賞の発表を見るため、私は午前2 時に起床し た。発表は1 時間も遅れていた。もしかしたら受賞者は予想もしてい ない人なのか?と思い始めていた。しかし、待った価値はあった。フラ ンソワ・アングレール氏とピーター・ヒッグス氏が受賞したのだ。それ は、私たちが待ち望んでいた結果であった。

 ある力は原子核の内部だけでした働かないのに、他の力は太陽から地 球まではるばる届くのはなぜなのか?この一見シンプルに見える疑問 は、解決できないかに思える大きな障害に直面していた。力の基本的な 法則「ゲージ理論」では、力は遠くまで働く。しかし、もしこれが本当 なら、太陽はすぐに燃え尽きてしまうはず。地球で生命体が生まれるわ けがないのだ。宇宙の空間に隠れた何かが働いている – この奇抜な考 えは正しかった。

 アングレール氏は、故ロバート・ブラウト氏とともに、ゲージ理論の 基礎をなす対称性が破れているならば、力の及ぶ範囲が短くなることを 示した。ピーター・ヒッグス氏は、この理論が正しければ、まだ見つかっ ていない新粒子があるはずだと主張したのだ。

 2012 年7 月4 日、この新粒子だと思しき粒子が、LHC 実験で見つかっ た。数か月後には、あらゆるデータが、この粒子がヒッグス氏の予測し た粒子であると示唆している、と発表された。ノーベル賞が目前に迫っ ていると、みなが思っていた。そして、その通りになったのだ!

 アングレール- ブラウトとヒッグスの理論は、実験物理学者による半 世紀にわたる粘り強い研究活動によってとうとう実証された。太陽が燃 える現象を理解するために予言された「謎の粒子」は、30 年にわたる 計画、15 年の建設期間、そして、数千人の研究者の努力によって発見 されたのだ。なんてすごい話だろうか。


素粒子物理ワールドニュース

KEK と共同でILC の研究開発にあたっている世界の研究所から発 信された、素粒子物理学関連の話題をピックアップします。

2013 年9 月27 日号  CERN Courier より ディラック賞にトーマス・キッブル氏ら

 イタリア・アブドゥス・サラム国際理論物理学センターは、2013 年 のディラック賞の受賞者を発表した。初期宇宙、銀河形成、ブラック ホールの理解を深めた、トーマス・キッブル氏、ジェームズ・ピープ ルズ氏、マーティン・リース氏の3 氏。受賞理由は「基礎物理学、宇 宙論、宇宙物理学の多数の面を解明してきた、独自の革新的な研究」 である。

トーマス・キッブル氏。
© インペリアル・カレッジ・ロンドン

 英インペリアル・カレッジ・ロ ンドンのキッブル氏は、自発的2 称性の破れの物理と、その宇宙論 への影響への考察を行い、重要な 貢献を行った。1960 年代、彼は自 発的対称性の破れの現象を共同研 究者とともに研究し、素粒子が質 量を得る現象を研究した先駆者の 一人だった(CERN Courier 2008 年1月/2月号の17ページを参照)。 彼はまた、宇宙がビッグバンから 進化する際に、対称性が明らかに 失われると何が起きるのかを追求し、過去の対称性の痕跡となるし位相 欠陥を論じた。
英文記事:http://cerncourier.com/cws/articl<br>e/cern/54679






2013 年9 月27 日号  CERN Courier より アリス実験:物質の新しい様相のピークを見る

 2 月10 日の朝、鉛のビームを停止し、成功と興奮のうちに、LHC 加速器の最初の段階を終えた。LHC 加速器は2010 年11 月に初の 2.76 兆電子ボルトの鉛・鉛衝突を開始し、一ヶ月で、10 インバース・ マイクロ・バーンの積分ルミノシティに相当する実験データを得た。 1 年後の第2 期には、ピーク・ルミノシティが1平方センチあたり、 また1 秒あたり10 の26 乗に達し、予期していた10 倍に及ぶ積分 ルミノシティのデータ収集を達成した。2012 年の9 月には、5.02 兆 電子ボルトの陽子・鉛衝突を実現し、十分な数の現象の観測を行った。 2 月以降は、30 インバース・ナノ・バーンに相当する陽子・鉛衝突事 象を記録し、鉛・鉛衝突現象解析のための詳細な基本データを取得 した。

LHC 加速器を用いた核子あたりの衝突エネルギーが
2.76 兆電子ボルトの鉛・鉛衝突 実験で記録された
“星状炸裂事象”。©CERN













英文記事:http://cerncourier.com/cws/article/cern/54674


加速器図鑑
タイム・プロジェクション・チェンバー

ILD 測定器の内部。茶 色のがらんどうの部分 がタイム・プロジェク ション・
チェンバー。 本文では省略したが、 実物は全長約2.5m、 直径約4m の茶筒が
底 同士をくっつけて繋 がっている。真ん中が 共通の底で両端に蓋が ある。
イラストの真ん 中に見えている仕切り 板のような物が共通の 底である。
クレジット:Rey.Hori。

 タイム・プロジェクション・チェンバー(TPC)とは、どういうもの でしょう。タイムと言うからには時間が絡んでいるように思えます。プ ロジェクションとはプロジェクターという言葉が表すように「投影」の こと。物の影を見ることにつながっているようです。チェンバーとは英 語で箱/容器などを表します。これらをひとつひとつ見ていきましょう。

 上のイラストはILC の電子・陽電子衝突点を取り囲むように設置され る素粒子反応測定器 ILD*1 の中央部付近を表したものです。一番中心 部の細長い円筒の部分(中にディスクがたくさん並んでいる)はビーム パイプ*2 の直近を取り囲む測定器群「崩壊点検出器」。その外側のもっと 大きな円筒形の「何も無い空洞」のように見えるところが今回のテーマで あるTPC です。イラストでは手前半分を切り取って中を見せています。

 この「何もない空洞」はいわば円筒形の箱で、これがチェンバーです。 大きさは全長約5m、直径約4m。巨大な茶筒を想像していただくのが 良いかもしれません。この茶筒の中の空間を使って、ビームの衝突によっ て生まれた素粒子の飛んだ跡を測るのです。この茶筒にはガスが封入さ れていて、電気を帯びた素粒子がこの中を飛ぶと道筋にそってガスがイ オン化し電子の群れができます。ちょうど飛行機が飛んだ跡に飛行機雲 が出来るような感じです。例えば素粒子がクルクルと螺旋を描くように ように飛んだとすると、茶筒の中には螺旋形に雲(本当は電子の群れ) ができます。

 ところで、茶筒の蓋と底の間には高い電圧が、茶筒の蓋にプラス、底 にマイナスのようにかけらているとします。出来た雲はこの電圧のため に、形を保ったまま蓋のほうに移動します。螺旋形ならば螺旋形のまま です。そして最後には蓋の内側の面に「吸い込まれ」ます。蓋の内面は 小さく分割された電極になっていて、電極に電子が吸い込まれると電気 信号が出ます。どの電極が信号を出したかによって雲の形が分かるので す。ちょうど雲の形は蓋の内面に「投影」されたことになります。でも 蓋の内面(2次元)に投影されてしまった雲の形からは元の3次元の形 は完全には分かりませんよね。そこで利用されるのが時間の情報です。 蓋に近い部分は早く到着して吸い込まれ、遠い部分は遅く到着して吸い 込まれます。だから“ どの”電極が“ いつ”信号を出したかを測ること により電子の雲の3次元的な形が分かることになります。雲の形はいわ ば時間方向にも「投影」されたと言えます。

* 1: ILC では2つの素粒子反応測定器 ILD と SiD が設置される予定。SiD では TPC ではなく別のタイプの測定器が使われる。。
* 2: 電子ビームや陽電子ビームが走る真空のパイプ。ILC 通信64号の加速器図鑑参照。


トピックス

KEK 一般公開、約4,300 名が来場

研究本館の様子。

 9 月8 日、KEK で一般 公開を実施し、約4,300 名 の来場者を迎えた。ILC 関連では、先端加速器試験 施設(ATF)、超伝導RF 試験設備(STF)の施設 公開、研究本館でのパネル 展示を回った方を対象に、 缶バッジが当たるガチャガチャを実施した。多数のご来場ありがとうご ざいました。




トピックス

ILC 国際シンポジウム開催

主催者挨拶をするエバンス氏

 10 月15 日、東京大学伊藤国際学術研究センター(東京都文京区)で ILC 計画 国際シンポジウム「宇宙の謎に迫れるか! 国際リニアコライ ダー」が開催された。リニアコライダー・コラボレーション、東京大学 素粒子物理国際研究センター、先端加速器科学技術推進協議会が主催す る、本シンポジウムには約250 名が参加した。  シンポジウムは、主催者を代表してLCC ディレクターのリン・エバンス氏の挨拶で開 会した。前半は、IPMU 機構長の村山斉氏と、 三菱重工取締役会長の大宮英明氏が基調講演 を行った。

基調講演をする村山氏(左)、大宮氏(右)

 後半は、コーディネータ に池上彰氏(ジャーナリス ト、東京工業大学教授)を 迎え、パネルディスカッ ションを実施。村山氏、エ バンス氏に加え、マイク・ ハリソン氏(米・ブルックヘブン研究所)、山崎直子氏(宇宙飛行士)、 内永ゆか子氏(NPO 法人 J-Win 理事長)がパネリストに加わった。

パネルディスカッションの様子。左から、池上氏、村山氏、エバンス氏、ハリソン氏、 山崎氏、内永氏。








お知らせ

大学共同利用機関シンポジウム2013 万物は流転する ー因果と時間ー

 大学共同利用機関の研究成果を分かりやすく講演いたします。知の拠 点群 - 大学共同利用機関- が拓く科学の広大なフロンティアについてご 紹介できれば幸いです。
  KEK からは、多田 将 博士による講演「ニュートリノ振動実験~こ の世界で最も小さな粒子を探る、この世で最も大きな実験」を予定して います。

その他の講演者や詳細については、シンポジウムウェブサイト (http://www.nijl.ac.jp/int-univ-symp2013/)をご覧ください。皆様 のご参加を心よりお待ちしております。

主催:大学共同利用機関協議会
日程:2013 年11 月16 日(土)12:00 ~ 17:00
会場:東京国際フォーラム ホールB7(JR・東京メトロ有楽町駅からすぐ)
入場料:無料(予約不要)
〈お問合せ〉大学共同利用機関協議会 広報ワーキンググループ事務局
人間文化研究機関 国文学研究資料館
http://www.nijl.ac.jp/int-univ-symp2013/
TEL:050-5533-2906
E-mail:so-mu@nijl.ac.jp



【ILC 通信】71 号の巻頭記事の訂正とお詫び

 2013年9月1日発行の【ILC通信】71号の写真と本文の説明について、 一部誤りがございましたので、訂正いたします。関係者、および読者の みなさまにお詫び申し上げます。 巻頭写真 説明 (誤)7 月29 日~ 8 月6 日まで、米ミシシッピ州で開催された「スノー マス会議」 (正)7 月29 日~ 8 月6 日まで、米ミネソタ州で開催された「スノーマ ス会議」 巻頭記事 第3 段落 第5 番目の文 (誤)これまで9 ヶ月間にわたってじっくりと行われてきた一連の議論 の締めくくりとなる会議が、7 月29 日~ 8 月6 日、ミシシッピ州で行 われた。 (正)これまで9 ヶ月間にわたってじっくりと行われてきた一連の議論 の締めくくりとなる会議が、7 月29 日~ 8 月6 日、ミネソタ州で行わ れた


編集部より

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