NOVA の今後の番組や関連コンテンツ、科学のレンズを通した時事問題の特集報道についてメールを受け取ることができます。 LHCの運用の歴史とヒッグス粒子探索の内部事情を解説した、ドン・リンカーン著の「The Extra Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind」。 ジョンズ・ホプキンス大学出版局発行。 出版社の許可を得て転載しています。
ビクトリア時代の数学者オーガスタス・ド・モルガンはこう書いている。
大きなノミの背中には小さなノミがいて噛みつく
そして小さなノミには小さなノミがいる、といった具合に無限に続くのである。
そして、大きなノミは、さらに大きなノミを持ち、さらに大きなノミは、さらに大きなノミを持ち、さらに大きなノミは、さらに大きなノミを持ち、といった具合に、延々と続きます。
このよく引用される一節は、ジョナサン・スウィフトの1733年の『詩について』のパロディである。 A Rhapsody 、これは詩について書かれたものである。 しかし、科学者たちは、この一節を自然界の比喩としてとらえています。 ミクロの世界について学ぶと、すべての物質は分子からできているという観察にすぐに直面する。 分子は、電子と原子核からなる原子の集合体であり、その原子は、電子と原子核から構成されている。 原子核は陽子と中性子でできており、これらはクォークで構成されています。
しかし、私たちの知る限り、クォークと電子はそれです。 構造としてはそれでおしまい。 原子や陽子が構成要素間の複雑な相互作用によって豊かな構造を持っているのとは異なり、クォークと電子は現在のところ内部構造を全く持っていないと考えられています。 理論的にも物理的にも、数学的な点であると考えられている。
もちろん、想像力のかけらもない人は「ちょっと待てよ」と言わずにはいられません。 なぜクォークやレプトン自体に内部構造がないのだろう？”と。 答えは一つで、”あり得る “のです。 クォークと電子（ひいてはすべてのレプトン）は、さらに小さな物体でできている可能性があるのです。 あるいは、（かなりありえないことですが）それらは本当に基本的なもの（つまり、より小さな部分を持たない、言い換えれば、構造のないもの）かもしれません。
これ以上先に進む前に、関係するサイズについて考えてみましょう。 マイクロの世界ではすべてが小さい。 分子1つはとても小さく、1ミリメートルの中に100万個並べて置くことができるほどです。 普通の光では見ることができないほど小さい。 それなのに、そんな小さなものが、研究フロンティアの10億倍という、とてつもない大きさになっているのです。
分子は原子から構成されていますが、原子の大きさは分子の10分の1程度です。 原子を、太陽を原子核とし、惑星の電子を持つ小さな太陽系とする心象風景は、欠陥があるが、それでも利点がないわけではないのだ。 原子はほとんど空っぽの空間で構成されており、小さく密な原子核から遠く離れたところで電子が狂おしく渦巻いているという事実を浮き彫りにしているのである。 原子核の半径は原子の約1万分の1であり、体積はその1兆分の1に過ぎません。
原子の原子核は、陽子と中性子がぎっしりと詰まっています。 私のイメージでは、原子核はカエルの卵かビー玉の固まりで、指がとてもべたべたした幼児に扱われた後のような感じです。 陽子や中性子の幅は10〜15メートルほどで、1ミリメートルにするには1兆個の陽子や中性子を並べなければならない。 これは小さいですね。
陽子と中性子は、その中にクォークとグルーオンを含んでいます。 陽子を考える最も簡単な方法は、2つのアップクォークと1つのダウンクォークがグルオンの力場にはさまれているということです。 空気で膨らむ抽選機の中にある3つの番号のついたプラスチックの玉を考えれば、基本的な考え方がわかると思います。
しかし、クォークをプラスチックのボールと考えることには、1つの大きな欠陥があります。 ボールは抽選機よりずっと小さくはありません。 クォークは小さいのです。 陽子のより良い心象風景は、同じ機械の中の3つの小さな発泡スチロールの斑点なのかもしれません。
では、クォークの大きさはどうなっているのでしょうか？ 先ほど私は「大きさがない」と言いましたが、確かに現在の理論ではそのように扱われています。 しかし、私は実験家ですから、むしろ測定に関心があります。 読者の皆さんは、測定によってクォークの大きさがどのように判明したのか、興味があるのではないでしょうか。 その答えは……ドラムロールをお願いします……解明されていません。 これは、私たちがクォークの大きさについて何も知らないということではありません。 私たちはこの問題を徹底的に研究し、私たちの装置がどれほど優れているかを正確に知っています。 もしクォーク（と電子）が陽子の約1万分の1よりも大きければ、大きさがあることが分かったはずです。 しかし、これまでの実験では、大きさがあると信じられるようなわずかなヒントさえも見たことがありません。 したがって、クォークや電子の大きさが実際にどの程度なのかはわかりませんが、クォークに大きさがあるとすれば、それは陽子の1万分の1よりも小さいと断言できるのです。
もしこの考え方が理解しにくければ、自分の目で見える物体の小ささを考えてみましょう。 砂粒は簡単に見えます。 かなり努力すれば、食器棚の中のほんの少しの小麦粉を見ることができるかもしれません。 でも、それだけです。 裸眼では、これより小さいものは見えないのです。 したがって、あなたが細菌を目で見ようと思ったとき、その細菌には大きさがないと結論づけることができますが、厳密に正しい結論は、細菌は小麦粉の小さな斑点よりも小さいということです。
よりよい装置、たとえば強力な顕微鏡を使えば、細菌は実際に測定可能な大きさを持っていることがわかります。 ですから、機器の限界に達したら、もっと強力な顕微鏡を手に入れればいいのです。 LHCとその2つの主要な検出器である顕微鏡は、クォークの大きさが陽子の1000分の2か3以下でなければ観測できない … あるいは、現在考えられているよりも2倍か3倍ほど小さい限界を設定することになるでしょう。
観測、直感、そしてド・モルガンの小曲は、他のレベルの物質がより小さいサイズで存在するのではないか、宇宙のタマネギに全く新しい層ができたのではないか、と考えるに十分かもしれませんが、より科学的な理由もあるのです。 例えば、周期表を考えてみよう。 メンデレーエフは周期表を組織的なものとして考えていましたが、20世紀の最初の数十年間に原子核理論や量子力学が確立されると、周期表が実は原子構造を示す最初のものであることが明らかになりました。
周期表が語る物語が明らかに原子構造を示唆している一方で、核放射の物語も原子核の構造を示唆しています。 例えば、セシウム( 137 55 Cs、陽子数55、中性子数82)は電子を放出し、バリウム( 137 56 Ba、陽子数56、中性子数81)になる。
これらの歴史的な例をもとに、現代に当てはめて考えてみましょう。 歴史的な教訓が常に適用されるとは限らないことは承知している。 しかし、時にはそうなることもあるのです。
私たちの粒子の「周期表」は上の画像に示されています。 化学の周期表とは構成が異なります。 図では、6種類のクォークがあります。 アップクォーク、チャームクォーク、トップクォークはいずれも+⅔の電荷を持ち（陽子の電荷が+1である系において）、チャームクォークの質量はアップクォークのそれを上回り、さらにトップクォークもそれを上回ります。 同様に、ダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォークはいずれも電荷 -⅓で、右に行くほど質量が大きくなっている。
現代の周期表では、メンデレーエフの表の列に対して、「化学的に似ている」単位は行になります。 同じクォークとレプトンのパターンに3つの「世代」または炭素のコピーがあることがわかる。 これは、19世紀後半に化学周期表が与えてくれたヒントを強く彷彿とさせる。
もう一つ、歴史的な類似点があります。 様々な原子核が他の原子核に崩壊するように、クォークやレプトンも崩壊する可能性があるのです。 トップクォークはボトムクォークとWボゾンに崩壊することができます。 同様に、ミューオンは電子と2つのニュートリノに崩壊することができます。 他のタイプのクォークとレプトンの崩壊も可能です。 実際、第2世代と第3世代のすべての粒子は、最終的に第1世代の粒子に崩壊します。 一つの重要な手がかりは、あるクォークやレプトンを別のクォークやレプトンに変えることのできる力（私たちは「クォークやレプトンの『味』を変える」と言います）が弱い力だけであることです。 さらに、特に電荷を持つWボゾンだけがこの仕事をすることができます。
クォークとレプトンの世代の存在が、クォークとレプトン自体がより小さな（今のところ未発見の）粒子で構成されていることを示すという確たる証拠はありません。 しかし、歴史的な類推は強力に示唆的であり、確かによく注意する必要があります。 Wボゾンを放出することによって、クォークやレプトンのフレーバーを変えることができるという事実は、物理学者に何か重要なことを叫んでいる、非常に貴重な手がかりなのです。
ただ、それが何を言っているのか理解する知恵があればいいのですが。
しかし、難問を大きく解き明かす決定的な洞察がなくても、このテーマについて知的に推測することはできますし、（もっと重要ですが）データの山をふるい分け、さらなる手がかりを探すことはできます。 新しい物理現象を探すのと同じように、何を探せばいいのか、経験則に基づいた推測をして、それを探すのです。 では、クォークの構造について、実験的にどのような兆候が見られるのでしょうか？
歴史的に見ると、最も激しい衝突が最も適した場所の1つでした。 2つの物体をぶつけ、それぞれの激しさのレベルでどれだけの衝突があったかを見ます。 具体的には、「横方向の激しさ」の量を見ます。 専門的には、これを横方向の運動量と呼びますが、これはビームに垂直という意味です。 この選択には技術的な理由もありますが、ほとんどは、何かを強く打ちつけないと元の方向から横向きにならないからです。
今日、ほとんどの物理学者は「様子見」の姿勢で、宇宙がどんなヒントを与えてくれるかを見守りたいと思っています。 それでも、クォークより小さな物体の名前が提案されており、最も人気があるのは「プレオン」（プレクォークの意）である。 しかし、理論を構築した理論物理学者は、それぞれ独自の名前を考案しており、サブクォーク、メオン、アルフォン、クインク、リション、ツイードル、ヘロン、ハプロン、Y粒子などが提案されている。 私自身は、クインクやツイードルという名前が好きです。
次の大発見は何でしょうか？ 全く分かりません。 ここで述べたようなトピックの一つかもしれません。 あるいは、もっとエキサイティングなのは、まったく予期しないもの、つまり、私たちを突然に襲うようなものであるかもしれません。 時間が解決してくれるでしょう。