日本の東北地方が主役に!? ヒッグス粒子発見以降の物理学研究の未来

"CERN / Atlas Beam Pipe Installation" BY Ars Electronica (CC:BY-NC-ND) 「日本の東北地方が主役に!?　ヒッグス粒子発見以降の物理学研究の未来」の写真・リンク付きの記事はこちら

7月4日に、ファビーオラ・ジャンノッティがジュネーヴのCERNでヒッグス粒子の発見（もちろん正式にそう判明すればだが）を告げてから2カ月が過ぎた。到着点というにはほど遠く、世界最大の粒子加速器、LHC（Large Hadron Collider: 大型ハドロン衝突型加速器）のおかげで実現した発見には、たくさんの問題がまだ残されており、研究者たちはその答えを見つけなければならない。そして、『Nature』が説明しているように、わたしたちは答えを見つけるのに必要な道具をもっているというわけではない。

LHCにはまだ使い道があるのか？

こうした疑問のいくつかに答えるために、まだLHCを利用することができる。例えばジュネーヴの加速器は、物理学者たちが、発見されたボソンがまさに「標準模型」（目に見える宇宙の素粒子の振る舞いや、これらが相互作用する力のいくつかを説明する理論）が語っている「神の粒子」かどうか、あるいはそうではなくずっと複雑な粒子で、推測されているさまざまなヒッグス粒子のひとつなのかどうかを調べるのに役立つ。

また、スイスの地下で唸りをあげている巨大な機械は、この新しい粒子のスピンを確定させることができる。ピーター・ヒッグスをはじめとする理論物理学者の予言によれば、ヒッグス粒子の場はスカラー場である。従って、その属性は向きに依存しない。もしその通りであれば、ヒッグス粒子のスピンは0でなくてはならない。

どのように測定するのだろうか？　話題になっているのはボソンなので、いまのところ物理学者たちは、この値が整数であり、この粒子が崩壊してできる2つの光子は、値1のスピン1つをもつことはできないだろうと推論できるのみである。

大型ハドロン衝突型加速器は、このボソンと、クォーク、レプトン（電子、ミューオン、タウオン）といったフェルミオンのような別のタイプの素粒子との間の相互作用に関しての「標準模型」の予想を確認することもできるだろう。

これらそれぞれとの相互作用は、その質量と直接的に釣り合っていなくてはならない。というのも、このモデルに従うと、粒子に質量を与えているのは、まさにこのヒッグス粒子との相互作用だからでもある。

CERNが述べているように、いまのところ、この新しいボソンにおけるほかの粒子との相互作用は、30〜40％の不確かさで予想を裏付けている。この不確かさは、年末までに20％までに、そして今後10〜15年のうちに、さらに下げることができるだろう。しかし、1％に達することは決してないだろう（ましてや、科学者たちが望むであろう0.1％にも）。LHCで困難なもうひとつの事柄は、2つのヒッグス粒子の間の相互作用の研究を可能にすることだ。

代替手段を求めて＞＞＞


代替手段を求めて

LHCの限界によって、科学者たちは代わりとなるヒッグス粒子の加速器を探して、そこでこの粒子の新しいクラスを研究しなければならない。いくつかはポーランドのクラクフで9月10日〜12日に行われた素粒子物理学のためのヨーロッパ戦略ワークショップに参加した専門家たちによって精査された。そして彼らのアメリカの同僚たちによっても、コロラド州スノーマスで来年6月に行われるミーティングで話し合われるだろう。

最も評判のよかった提案のひとつが、レプトンコライダーだ。実際、この粒子は「弱い力」を通して相互作用するので、特別な質量をもつ粒子を得られるように衝突を準備することができ、研究と分析をしやすいさまざまな生成物を作り出す。

このカテゴリーに属するのが、まだ構想段階の加速器で、LEP3と呼ばれるものだ。LHCが建設される前にLHCのトンネルに収められていたLEP（Large Electron-Positron Collider: 大型電子陽電子衝突加速器）に敬意を表して名付けられたものだ。

同じトンネルの中でLHCの隣に建設することができ、そのためすでに存在するインフラのいくつかを利用できるという事実が有利に働いている。このようにして、実現のためのコストは著しく下がり、LHCの60億ドル以上に対して、LEP3では約10〜20億ドルとなるだろう。

LEP3はヒッグス粒子を研究するには理想的だが、エネルギーが低いため、超対称性理論によって予想されているような、より重い粒子を作り出し研究することはできないだろう。

もうひとつの選択肢は、電子の207倍に等しい質量をもつ素粒子、ミューオンを用いたコライダーだ。これは、LEP3よりもずっと小さく、円周はわずか1.5kmとなるだろう。そして、非常に低いエネルギーで何万ものヒッグス粒子を生み出すことができるだろう。しかし、ミューオンはわずか2.2ナノ秒で電子やニュートリノに崩壊してしまい、必要となるすべてのプロセスを遂行するには時間が少なすぎる。

まったく異なる解決策だが、非常に進んだ計画段階にあるのが、国際リニアコライダー（International Linear Collider）のような電子・陽電子リニア線形衝突型加速器だ。この計画のために以前から物理学者の国際的なコンソーシアムが働いていて、いまのところ予想されるコストは67億ドルだ。

そしてリニアコライダーの分野での直接のライヴァルとなるのが、CERNの後援を受けているCLIC（Compact Linear Collider）だ。しかし、いまのところは構想として存在するのみだ。両方ともに利点があり、そのため、アメリカ、バタヴィアのフェルミ国立加速器研究所を拠点とする将来加速器国際委員会（International Commitee for Future Accelelatore）は、可能であればこの2つの計画を融合させて、ひとつの新しい計画にすることを検討している。2015年までには最終提案があるだろう。

どこに新しい加速器を建造するのだろうか？

リニアコライダーがヒッグス粒子とこれに続くほかの粒子の研究のために最も望ましい選択肢であるならば、建造のための作業に進む前に、どこに建造するかを決定しなければならないだろう。ヨーロッパは除外されているようだ。

「ヨーロッパのワークショップで浮上する最優先事項は、LHCの潜在能力を最大まで利用して、そのアップグレードによって先に進むことでしょう」と、イギリス科学技術施設会議のジョン・ウォマズリーは認めている。

アメリカが受け入れることもなさそうだ。昨年9月のテヴァトロン閉鎖後、アメリカは、高密度を優先して高エネルギーの最前線を捨てた。そして今後数年は、希少な粒子と高強度ニュートリノビームによるもののような、捉えにくい相互作用の研究に専念するだろう。

これに対して、最も可能性が高い場所は日本だ。LHCの資金調達にも非常に高く貢献しており、その好意を返してもらう準備はできている。野田佳彦総理大臣は、昨年12月にILCについて肯定的な評価を与えた。もしこのプロジェクトが11年3月に津波で破壊された東北地域の復興に貢献するならば、政府の側からさらなる資金提供を進めることができるだろう（参考：震災復興の「加速器」となるか？　宇宙誕生の謎を解くILC計画 ）。

構想は、東北に研究所と工業地域と大学からなる国際都市を実現することにある。このようにして、ヨーロッパではLHCが高エネルギーの探索に専念し、アメリカにはニュートリノ研究に焦点をあてたさまざまなセンターがあり、そして日本には新しいレプトンコライダーができるだろう。

素粒子物理学の未来にとっては、理想的な展望である。

TEXT BY CATERINA VISCO
TRANSLATION BY TAKESHI OTOSHI