素粒子の研究とは
レンです。
エマです。
サイエントークは、研究者とOLが、科学をエンタメっぽく語る、ポッドキャスト番組です。
宇宙の研究をするときって、どこ見たらいいと思いますか?
宇宙です。
そう思うじゃないですか。
そうとは限らないっていう話です、今日は。
宇宙って、めっちゃでかいじゃないですか。
だけど、逆にめっちゃちっちゃいものを見たら、宇宙のことわかるかもっていうことらしいんですよ。
らしいんすよって言ってるのは、僕はそんなに詳しくないんで、噂みたいな感じで言ってるんですけど。
今回は、その噂について、詳しい人が教えてくれるっていうことですか?
そうです。
もうちょい具体的に言うと、素粒子の研究について、ちょっとお話ししていただけるゲストの方を今日はお呼びしてまして、
素粒子。
原子よりももっとちっちゃい最小のものの単位ですよね、素粒子。
今回はちょっとゲストの方にね、今まさに素粒子を研究している方にいろいろと聞いていこうっていう企画です。
はい、おもしろそうですね。
素粒子の研究方法と加速器
はい、というわけで早速ゲストの方お呼びしましょう。
はい。
今回のゲストは、高エネルギー加速器研究機構、素粒子原子核研究所、準教授の中山博之さんです。よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
では最初にですね、自己紹介の方お願いします。
はい、今ご紹介に預かりました、
今略して高エネ研って言うんですけど、高エネ研もしくは経緯経で、素粒子の研究をしている中山といいます。よろしくお願いします。
よろしくお願いします。
これまでにサイエントークでも、科学史ってことで、科学の歴史をビッグバンから辿ってみようみたいなことをずっとやってたりするんですけど、
最初の宇宙の誕生とか素粒子とか関係してくるところは、そんな詳しく説明できてないんですよね。
ざっくりイメージを教えてもらったみたいな感じで。
そうですね。っていうのも、僕の力が足りないっていうのもあるんですけど、なかなかやっぱり素粒子ってやっぱちょっと難しいとか、
なんかそういう本当に細かく話そうとすると、結構複雑な分野でもあるかなとは思っていて、
そうですよね。僕もよく自己紹介するとき、今素粒子の研究してますって言ったんですけど、
だいたい一言で言いたいときは、宇宙の研究してますっていうことが結構多くて、
ただその宇宙の研究してますって言うと、結構ほとんどの方が、
あ、じゃあ望遠鏡で宇宙を、星とかを見られるんですか?とか、ロケットに乗って宇宙飛行士みたいな、そういう研究なんですか?って考えられることが結構多いんですけど、
実は僕は全然そういうことは全然違って、その宇宙っていうすごい大きいものを研究するんですけど、
手段としては、その素粒子って言われるその世の中で一番小さいものについて詳しく調べるっていう、
そういうちょっと直感からすると大きさが全然違うスケールの話なんですけど、
それが実は密接に関係してるってことを、今日おいおい話していければいいかなと思うんですけど。
いやそうですよね、多分今聞いてる人も、いや真逆じゃんみたいな感想を持たれる方は結構いるかなと思うんですけど。
なんでそんな世の中で一番小さいって言ってる素粒子を研究したら宇宙のことがわかるの?っていうのは確かに直感的には不思議ですよね。
うん、いや不思議ですよね。
僕もそう思います。
なので今日は実際にそういう研究をされてるっていうご本人登場みたいな回なんですけど、
なかなかお話聞く機会もないかなってことで、
大きく分けて前半では、そもそも素粒子ってどんなものとか、素粒子物理学ってどんな分野なのかっていうお話とか、
さっき言ったような、なんで宇宙と結びつくんだみたいなところをちょっと前半に色々聞かせていただいて、
後半では研究されてる高エネルギー加速研究機構とか、あとはこの素粒子を研究してる研究所って実際どんな感じでやってるんだろうとか、
かなり具体的なお話とかを色々とちょっとお話聞いていきたいかなと思います。
はい、よろしくお願いします。
じゃあ早速中山さんはどんなことを研究しているのかっていうのをお聞きしましょうか。
さっき宇宙の成り立ちを調べるために素粒子っていうすごい小さいものを研究してるって言ったんですけど、
素粒子の研究する方法にも色々あるんですけど、僕たちの場合は加速機と呼ばれる粒子を加速する、つまりスピードを速くする装置っていうのを使ってます。
加速機っていうのは小さいものから大きいものまで色々あるんですけど、
小さいものだと例えば昔のテレビってブラウン管だったっていう、ちょっと世代によってブラウン管ってわかんない方もいるかもしれないですけど、
あれも実は小さな加速機なんですよ。
ただあれもブラウン管っていうガラスの容器の中で粒子を加速してテレビの面を光らせてるんですけど、
ああいう小さいスケールのものもあれば大きいものもあって、
我々のやつは非常に大きくて、一周3キロのリング状の加速機っていうのを使って実験してます。
素粒子研究の意義と理論
3キロ?めちゃくちゃでかいですよね。
一周3キロ。一周3キロって大体東京ディズニーランドをぐるっと色んなアトラクションを回ると3キロぐらいらしくて、
だからあれぐらいのサイズ感だと思っていただければ、ディズニーランド行ったことある方はいいんじゃないかなと思いますね。
スケールが大きい。
そもそも加速ってどういうこと?みたいな感じもするかもしれないですけど。
確かにそうですよね。
なんで素粒子で加速なの?っていうふうに思う方も、てか私が思ってます。
確かに。じゃあなんで素粒子を普通の状態じゃなくて、わざわざ速いスピードにして実験しなきゃいけないかっていうと、
じゃあ何か新しい発見をしようとした時にどういう条件で実験すると新しい発見ができるかっていうことを考えてほしいんですけど、
例えばこれまでのいろんな実験で試されてきたことって、基本的にはまず我々の普段の日常生活と同じような条件でまず実験するじゃないですか。
温度であったりとか、速さであったりとか、圧力であったりとかもそうですけど、
まずその状態でその現象を説明できる理論っていうのがまず発展するんですけど、
そこからじゃあもっとこの理論をより詳しく調べたいなっていう時にどういうことをするかっていうと、
じゃあ例えば25度だったらこの理論になり立つけど、これを500度とか1000度にしたらどうなるみたいなことを考えたりするの。
その時に25度の室温でやってた理論が1000度にしたら合わなくなってきたっていうことは、
加速器の基本的な原理
なんかその25度と1000度の間に違うことがあるわけですね、物理法則が。
確かに同じ計算式だと説明できないぞってことが起きちゃう。
そうそう、合わないみたいな。
で、それは多分25度の時もなんかその差は、これまで考えてた理論と新しい理論の差は多分あったんだけど、
すごいちっちゃくてその実験の誤差に隠れてたぶん見えてなかったんですよね。
結局実験ってやっぱり必ず誤差があるので、その誤差の範囲内でちょっとずれててもわかんないですよ。
確かに確かに。
検出できてなかったらもうないのと一緒になっちゃうみたいなことですよね。
そうそうそう。
で、なんか普段の室温だとあんまりその効果がすごい小さいような現象があるんだけど、
それは見えてなかったのは温度をボーンと高くするとその効果がすごい大きくなって、
実験やったらもう明らかに草が見えるみたいなことが起こるわけですよ。
だからその極限状態を作ると、
これまでわかってなかったような、見えてなかったようなものが新たに見えてくるっていうのがいろんな条件であるんですね。
それは圧力でもいいですし、今言った温度でもいいし。
我々の場合はその粒子を光の速さ、
つまりそれ以上もう超えることができない光の速さに限りなく近づけて実験を行うことで、
とっても早いエネルギーが高い状態を作り出しているんですね。
そこで実験するっていうことがとても大事なんで、
粒子を加速するっていう必要性が出てくるんですね。
じゃあ今言われてたみたいな温度が高い条件とか圧力が高い条件で素粒子を研究されている方もいるっていうことですかね。
今その例に温度とか出しましたけど、温度とかっていうのは実は素粒子ってすごい小さいものなので、
それに対して定義できる実はその状態ではなくてですね。
なので素粒子の場合は基本的には多分どんどんどんどん速くする、エネルギーを高くするっていうところが極限状態にいく一つの例だと思います。
スピードを上げるっていうのがその手段。
普通の状態って今例えば顕微鏡とかでめちゃくちゃズームしまくって見えるみたいなのあるじゃないですか。
多分一番ベーシックな。
だけどそれだと全然見えないみたいな話ですよね。
そうですね。
今顕微鏡の例出してくれたのが非常にいいなと思ったんですけど、
顕微鏡もより小さいものを調べようとしたら普通のテーブルの上に置けるような小型の光学顕微鏡じゃなくて、
理科室とかにあるやつですね。
あるようなやつじゃなくてすごい大きな電子顕微鏡とか、部屋一粒ぐらいあるようなものが必要になってくるじゃないですか。
じゃあもっともっと小さい素粒子を見ようってなるとやっぱりそれに応じて逆に今度は大きい顕微鏡、我々は加速器なんですけど、
大きい装置が必要になってくるんですよ。
だからより小さいものを見ようとするとより大きいものが必要になってくるっていうのが普通の顕微鏡と電子顕微鏡の比較とちょっと似てますよね。
確かになんか反ピエしてるみたいな感じにしますね。
そうそうそうそう。
こうやって物理的にもちゃんと意味があって、その小さいものを見ようとすると短い波長の光を使わなきゃいけなくて、
そうすると高いエネルギーが必要なんで大掛かりな装置が必要になってくるんですけど、
なるほどなるほど。
なので我々はその素粒子を詳しく調べようと思ったら素粒子めちゃめちゃ小さいからすごい大きな装置が必要になるっていう風に考えてもらっても大丈夫です。
なるほど、だからそれぐらいのディズニーランド一周みたいなサイズでめちゃめちゃに加速させるっていう。
そうですね。
加速器の加速機構
円形の加速、直径っておっしゃってたので円形かなって思ったんですけど、
はいはい、リング。
直線で加速することってあるんですか?
これちょっと厳密に言うと、我々のリングってリングに入ってくる前に直線のブースターの部分があって、
そこでもうほとんど加速しちゃってからその円形の部分に入れてるんですよ。
円形の部分っていうのは加速器って言ってるんですけど実は蓄積リングでぐるぐる回ってる時にちょっとずつエネルギー失ったやつを補充してるだけなんですけど、
基本的には加速はその直線部分のそのリング上の部分に入れる前に実は加速しちゃってるんですけど、ちょっとディテールなんであんまり話せなかったですけど。
なるほどなるほど。
だからジェットコースターの一周ぐるって回るところのスタートみたいなとこがあって、
そうですね。
丸いとこ入ったら後もずっとぐるぐる回るみたいな感じですよね。
はい、それです。
なるほどなるほど。
我々実は加速してそのぐるぐる回してる粒子をぶつけてるんですね、さらに。
ぶつける。
時計回りのやつと半時計回りのやつがあって、それぞれプラスの電荷とマイナスの電荷を持ってるんですけど、
プラスの電荷のやつがどっちだ?
プラスの電荷のやつが半時計回りで、マイナスの電荷のやつが計回りで、それをぶつけてるんですよ、ビームとビームを。
正面衝突させてる。
そうなんです。
それをぶつけることで、もともとのビームの粒子よりもすごい重い別の粒子を作ってるんですね。
これって昔の錬金術みたいな感じがあるんですけど、
錬金術ってすごく軽いその辺にある元素から金っていう重い元素を作ろうとした昔の取り組みじゃないですか。
我々の場合もビームに使ってるのは電子とプラスマイナスの溶電子って呼ばれる比較的かなり軽い粒子なんですけど、
プラスの粒子とマイナスの粒子をぶつけて、プラスマイナスゼロなんで消えちゃうかなと思いきや、実はそれ自身がエネルギーを持ってるので、
プラスの粒子とマイナスの粒子をぶつけると、もともと2つのビームの粒子が持ってたエネルギー分の重さに相当するめちゃめちゃ重い粒子を作り出すことができるんですね。
すごい話。
面白いですよね。
それはやっぱり自然にはできないような粒子なんですか?
自然にはできないです。
人間が初めてやるようなことだと。
そうですね。人工的に作るんですけど。
高速に加速するのも意味わかんないですしね。
そうですね。
自然系だったら。
確かに。
実はこれちょっと後で話しますけど、加速機を使わない素粒子の研究というのもあって、
人工的に作る素粒子と天体からの素粒子の研究
人工的に作れるエネルギーっていうのはやっぱり上限があるので、もっと天体とかで加速された素粒子を研究するっていうものではなくて、
その場合だとものすごい高いエネルギーまで到達したものが作れるんですよ。
ただそれは人工的に作るんじゃなくて、宇宙からたまに降ってくるものを頑張ってみなきゃいけないんで、
結構その別の難しさがあるんですけど、
我々の場合は人工的に作って、しかもとにかくたくさん作るっていうところにフォーカスしてやってるんです。
宇宙の天体とかだったらもう運ゲーみたいな感じで。
そうなんですよね。
見えるか見えないかみたいなのがあると思いますけど、
ある意味人工的にやったらいつでもそういう研究はやろうと思ったらできるみたいな感じですか。
そうですね。
我々は本当にそれを人工的にとにかくたくさん作ろうっていうところがポイントで、
なんでたくさんっていうかっていうと、
アンケートの結果とかでも考えてほしいんですけど、
100人に聞きましたアンケートと1万人に聞きましたアンケートどっちが信用できますかっていうと、
当然1万人のほうですよね。
そうですね。
100人のほうでこの商品が1位だったって言われても、
本当?たまたまじゃないの?とか思うじゃないですか。
でも1万人でアンケートでこの商品が1位になりましたって聞くと、
確かにそうかもって思うじゃないですか。
なので素粒子の研究で何か新しい発見をするっていう時も、
とにかく数をたくさんためて、
たまたま統計的なふらつきで出た結果じゃなくて、
これは本当にこういう現象が起こってますよっていうことを言うためには、
とにかくたくさん集めなきゃいけないんですよ。
そのぶつける回数をいっぱいやるっていうイメージですか?
そうです。まさにそういうことです。
なので我々の加速器で1秒間に何回ぶつけられるかみたいな指標のことを
ルミノシティって言うんですけど、
我々の公園の県にある加速器っていうのは、
ルミノシティの世界記録を今持って、しかも更新中です。
1秒に何回ぐらいなのか気になるんですけど。
単純に回で言うとなかなか難しいんですけど、
我々が欲しい粒子をどれぐらい作れるかっていう能力で言うと、
例えば我々Bって呼ばれる重い中間子って呼ばれる粒子を作りたいんですけど、
それを1週間でも1500万個とか。
1500万。
それまだ全然今後更新されていく数字なんですけど、
それぐらいだから全体でも何百万個っていうデータをためて解析して、
わずかなズレでも見逃さないぞっていうそういうスタイルの実験をやってます。
1週間で相当溜まりますね、データそれ。
相当溜まります。
解析が追いつかなさそうだなって思いました。
すごい大変だな。
そもそも取粒子ってすごく小さいじゃないですか。
小さいものを半時計回りと時計回りで回したものをぶつけさせるって、
なかなか正面衝突しなさそうだなってパッと聞いて思ったんですけど。
おっしゃる通りです。
おっしゃる通りで、実はだから一個一個をぶつけてるんじゃなくて、
何百万個とかもっとすごい数だったんですけど、
塊同士をぶつけてるんですね。
すれ違わせてるんです。
プラスのビームの中にも何千万個とか何億個とかわからないですけど、
非常にたくさんのプラスの粒子と非常にたくさんのマイナスの粒子がすれ違うんですね。
狭いところ。
そうすると時々当たる、そんなイメージです。
本当に一個だけ持ってきて一個だけ持ってきてぶつけるのはめちゃめちゃ難しいんですけど、
たくさん持ってきてそれを狭いところを通せばどれかは当たるじゃないですか。
そういうイメージですね。
確かに逆に一個だけ飛ばすのって難しそうだなって思いましたけど。
難しいです。
じゃあいかにその小さい中に素粒子を掘り投げるかみたいなところで、
さっき言ってたルミノ、何でしたっけ?
ルミノシティが決まるっていうことですか?
めちゃめちゃその通りです。おっしゃる通りです。
それをやるためには衝突する直前にビームを細く密度高くしてからぶつける必要があるんですね。
でもビームの粒子の中ってプラスだったらプラス同士がいっぱい集まってるわけじゃないですか。
マイナスだったらマイナス同士がその中にみんないるわけですよね。
そうするとプラスとプラスって反発しあうじゃないですか。
だから我々ギューって絞りたいんですけど、
あんまり絞りすぎると逆に反発しちゃって悪さするとかそういう難しさがあるんですよね。
なので衝突する直前だけにギュッてビームを絞ってあげてぶつけるんですけど、
それをやるためにはめちゃくちゃ強い磁石の力が必要になる。
前身の実験と改善
ビームをコントロールするのって我々磁石を使うんですけど、
今言ったようにビーム同士が衝突する直前にすごい短い時間でギュッてビームを絞ろうと思ったら、
めちゃめちゃ強い磁石の力が必要で、
なのでそういう時には超伝導磁石の力を借りたいんです。
電気使いまくって圧縮しまくってみたいな。
そうですね。
すごい話だな。
日常生活とかけ離れてるから面白いですよ。
そうですね。
でも今ビームを絞るのがレミノシティを上げるのに大事だというのは本当にすごいポイントがついていて、
我々実は今やってる実験って大体2016年くらいから準備を始めて、
2019年に本格的に運転を開始して今3年4年くらい走ってるんですけど、
その前に1999年から2010年くらいまで10年間くらい走ってた一つ前の前身の実験があるんですね。
そっちの実験と今新しくした実験で何が一番違うかってまさにそのビームを細く絞ってから当てるっていうところなんですよ。
ビームを細く絞って当てたらレミノシティが高くなるよねっていうそういうアイデアを何とか実現するために大改造して新しい実験を始めたんですよ。
だから今そこのポイントをつかれてすごくびっくりしました。
すごいな。
そうですよね。一回やった時に何が問題だったかとかどうしたらいいのかみたいな改良がいろいろされてたっていうことなんですね。
バージョンアップしたというか。
もともとその一つ前の実験もアメリカの実験とすごいレッドヒートっぷり広げて最終的に日本側が勝って世界記録を持ったまま終了したんですけど、
その後その時の世界記録を今の実験はもうすでに2倍くらい塗り替えてて。
実験の目的と標準理論
で、さらに今後うまくいけば何十倍くらい塗り切れるんじゃないかっていうことを目指してやってるっていうそんな感じです。
すごいですね。
日本が1位っていうのがいいですね。
いろんな科学の分野で結構アメリカが強いみたいなイメージありますけど、
ソリューシの加速については日本が1位っていうのはかっこいいですね。
で、もちろん違うタイプの加速機でヨーロッパでやってる大きな実験で、
例えばスイスのセルンっていうところでやってるLHCっていうのはちょっと加速機のタイプが違うんですけど、
我々は電子と溶電子っていう非常に軽い粒子同士をぶつけてる加速機なんですけど、
セルンのやつは溶子っていうかなり重い粒子同士をぶつけてるっていうちょっと経路が違う加速機。
ぶつけるもののサイズで全然違うんですね。
そうですね。単純に比較はできないんですけど、
電子と溶電子をぶつける我々のタイプの加速機では今それが記録をとっています。
なるほど。
でもなんか日本がすごいみたいなのって、
やっぱりノーベル賞受賞してる人いるよねみたいなイメージを持ってる人はいるかなと思いますよね、ソリューシとか。
そうですね。我々が今お話ししてたソリューシっていうのは、
実験をどうやってやるかっていう話なんですけど、
ソリューシの理論を考える研究者なんです。
日本はやっぱりその分野でもかなり昔からすごい歴史があって、
我々の一つ前のベル実験っていう2010年に終わった実験も、
もともとは小林マスカワ先生っていう2人のノーベル賞、2008年にノーベル賞を取った先生、理論先生ですけど、
その先生たちが考えた小林マスカワ理論っていうのがあるんですけど、
その理論が正しいっていうことを、何とか我々の日本人の手で証明できないかっていうところから、
実験がスタートしたもので、
そういう意味では、日本人の理論の先生が考えたのを、我々の実験で証明できたっていうのはすごい嬉しいですよね。
それは多分その当時の加速器の利用の目的の一つだったのかなと思うんですけど、
今っていっぱいぶつけて、N数を食べて、何をしようとしてるんですか?
今ですね、素粒子の世界っていうのは、いろんな実験が過去からどんどん積み上がってきて、
その結果が全部説明できる標準理論っていうすごい完成度の高い理論があるんですよ、実は。
こんなに何でも説明できちゃうんだったらこれでいいじゃんって思うかもしれないんですけど、
まだ全然それでも説明できないいろんなことってのがたくさんあって、
ということは、全部説明できないっていうことは、このすごい完璧に見える標準って言っちゃってるぐらいですかね、標準理論も、
多分何か間違ってるんですよ、どっかにまだ抜けがあるんですよ。
それを調べるためには、さっき言ったようにたくさんデータを貯めて、標準理論で誤差の範囲で、
本当はずれてるんだけど、ずれがちゃんと見つかってなかったようなものを詳しく調べることで、
標準理論にさらに何か足せるスパイスというか、まだ拡張があるはずなんですよね。
そういったもののヒントを見つけるために、いろんなアプローチができるデータをとにかく貯めて、
たくさんデータの観測を行うっていうのが我々の実験の目的ですね。
全方向から攻めてやろうという、そういう実験です。
本当に真の標準理論だったら例外とかもあっちゃいけないですよね、本来。
標準理論ってそもそも一つの数式みたいなものなんですか?
それとも何個か合わさって、何個かセットで一つの標準みたいな感じで、
今やろうとしているのはそれに何個か追加するのか?
それとも一つのものをさらに良くするか?
そうですね。例えば標準理論の中では素粒子っていうのは、
これこれこういうものとこういうものとこういうものと全部で何種類ありますよみたいな標があって、
それぞれの間に働く力っていうのはこういう式で欠けますよみたいなのがもう全部決まってるんですよ。
我々の実験でも、我々B中間子っていうのを作ってるんですけど、
B中間子がこういう粒子に壊れていくのは大体何パーセントぐらい起こるよねみたいなのを、
もう理論から結構良い精度で予測できちゃうんですよ。
ほとんどの場合それ通りになるんですけど、
すごいごくたまにしか100万回に1回しか起こらないみたいなやつっていうのは、
そもそも過去の実験だとデータが足りてないんで、
なんとなくは分かってるんだけど、
本当にその理論の予測通りになってるのかどうかっていうのはちょっと誤差が大きすぎてたまにしか起こらない。
データ数が少なすぎて、ぼやっとしてるようなものもあるんですね。
それをもしデータ量が10倍、20倍になったら、
もっと精度良く標準理論、やっぱり正しいよっていうのか、
もしくは標準理論ちょっとずれてんじゃんみたいなことがどんどん分かってくるので、
そういうのがいっぱいあるんですよね、リストが。
それを一つずつ潰していくっていう、そういう感じですね。
その理論とかをいろいろ潰していって、回数どんどん重ねて、
ある程度いろんなことを予測できるようになるっていうのは、
なんかこの辺から宇宙とかも繋がってくるんですかね?
そうです、宇宙の話そうです。
宇宙の起源と半物質
なんで宇宙の話が分かるのかっていう話なんですけど、
さっき宇宙の話、過去のテストでやったとおっしゃってたんですけど、
宇宙の最初っていうのは、
ビッグバーンっていう何もない真空の状態から、
ビッグバーンで今の宇宙の赤ちゃんの状態の宇宙ができて、
それがだんだんだんだん、ビッグバーンっていうぐらいだから、
火の玉のような暑い状態の宇宙なんですけど、
それがだんだん時間が経つにつれて宇宙が膨張して、
その分温度が下がって、
だんだん冷たい現在の宇宙になっていくんですけど、
その途中で変なことが起きてるんですよね。
変なことっていうのは物質と半物質の数のバランスが、
なんかおかしくなっちゃってるっていう、そういうことなんですけど、
今さらっと半物質って言いましたけど、
半物質、聞き慣れない。
なんかよくね、どれだろうって。
物質じゃないのかなみたいな。
なんかよくSFとかでありますけど、
半物質って基本的に今の宇宙の中にない物質で、
我々の物質とそっくりなんだけど、
小林マスカー理論と素粒子
プラスマイナスの符号だけ違ってる、そういうものです。
裏みたいな存在って感じ。
で、さっき我々ビームでプラスとマイナスをぶつけてるって言ったんですけど、
マイナスの方はよく皆さんが知ってる電子物質の方なんですね。
でもプラスのビームの方は実は半物質を人工的に作ってて、
電子と同じ、性質ほとんど全部同じなんだけど、
電化のプラスマイナスだけ逆の陽電子、
太陽の陽ですね。
太陽の陽の電子。
プラスなんで。
陰陽の陽ですね。
陰陽の陽でプラス。
陽電子っていうものを作ってぶつけてるんですけど、
そういうふうに人工的に作ると、
そういう我々の世界にある粒子の反対の粒子っていうのは作れるんですよ。
でも宇宙空間を探すと全然ないんですよ、半物質。
そうですよね。
そうやって聞いたら、僕らが持ってるというか、
みんな原子でできてますけど、
みんなマイナスの電子持ってて、
プラスの方もいていいじゃんみたいなことですよね。
そうなんですよ。
じゃあビッグバンの最初に何が起こるかって、
普通に考えると何もないところからここっと生まれてきて、
プラスのものができたらマイナスのものも一緒にピュアでできてくれないと、
最初何もなかったからプラマイゼロだったわけですよね。
そこからプラスだけできたらなんか変じゃないですか。
いや変ですね。
マイナスないと。
だから普通に考えると宇宙が生まれた瞬間っていうのは、
プラスとマイナスっていうのは必ず同じ数だけあったっていうのが自然だと思うんですよね。
でもその後宇宙がだんだん冷めてきて今の宇宙になったら、
なんか知らんけど物質の方だけ残ってて、
暗物質全然いなくなっちゃって。
これすごい不思議なんですよ。
仮定でっていうことですか。
最初にその2つあったみたいのはもう分かってるんですかね。
そこは調べようないですけど、
でも原理的に考えて多分プラスとマイナスが同時に生まれてないと理屈が合わないんですよね。
なのに今我々の宇宙の周りを見渡すと片っぽだけしか残ってない。
これすごい不思議なんですよ。
もしかしたらですけど、我々が見えてる範囲にはプラスがある、物質があるけど、
どっか遠いところの宇宙には、宇宙の遠いところには半物質っていうのだけの世界があるのかもしれないですけど、
それはちょっと不自然な考え方としては。
やっぱり多分、何らかの原因で宇宙が生まれてから今の状態になってくるまでの間に半物質の方だけが消えちゃったんだと思うんですよね。
どういうことがあったらそういうことが起こるかっていうと、
物質に働く物理法則と半物質に働く物理法則の間に何か違いがあったらそういうことが起こっていいわけですよね。
全く同じ半物質の物質と同じように説明できんだったら残るよねっていうことですかね。
そうそうそうそう。
だから多分、物質は生き残れたけど半物質は生き残れなかったみたいな、
物理法則の中に物質か半物質かを見分けて何か違うように作用するような効果があるんじゃないかっていう。
なるほど。
で、実はこれって実際に観測されてて、
で、それをこう、何でそういうことが起こるんだろうねっていうのを説明しようとしたのが実はさっき言った小林マスカー理論なんですけど。
それがその半物質と物質の何か違いを説明するみたいな。
そうなんです。
で、これ難しい用語で言うとCP対称性の破れって言ってめちゃめちゃ難しいですけど、
CPっていうのはそのチャージとパリティって要するに今言った物質半物質の違いの対称性の破れなんで、
CP対称性が成り立ってませんよっていう、そういう意味です。
なるほど。
だから物質と半物質の間の対称性が成り立ってない。
破れてる。
ついてこれてます?
いや、あの、すいません。
ちょっと、あの、まだ私半物質が、
半物質になったんじゃないか。
半物質ちょっと聞いてもいいですか。
はい、もちろん大丈夫です。
聞きましょう、せっかく。
えっと、片方しかないっていうのはプラスの方しかないのかマイナスの方しかないのかどっちなんでしたっけ?
あ、えっと、だから我々の世界でマイナスの物とプラスの物ってあるじゃないですか。
CP対称性と半物質
例えば、用紙ってプラスなんですよ。我々の世界では。
で、電子ってマイナスなんですよね。
でも半物質の世界ではそれが逆転してて、用紙の方がプラスで。
用紙がマイナスになって。
あ、ごめんなさい。用紙がマイナスになって電子がプラスになる。
それが半物質の世界です。
我々の世界と電化の電気的な性質のプラスマイナスが逆転してるのが半物質の世界です。
それがなきゃおかしいんですね。
もう勝手に私たちの世界でしか生きてないので、
もう用紙はプラスの物で電子はマイナスの物。
それでプラマイゼロだからOKって思ってたんですけど、
そうではなくて、用紙がマイナス。
用紙と電子はそうです。
用紙と電子って重さも全然違うんで、
用紙のプラスと電子のマイナスがくっついても電気的にはゼロになるんですけど、
物としてはゼロにならないんですね。
でも宇宙が最初何もなかったところから生まれたってことは、
用紙同士のペア、電子同士のペアみたいに、
同じ物同士のプラスマイナスが一緒に出てきてくれないとやっぱり、
うまく説明できないわけですね。
じゃあ電化としてのバランスはプラマイゼロで取れてるけど、
量的なバランスが取れてない。
そうです。
だから用紙の世界、電子の世界でそれぞれプラマイナスとマイナスがゼロに戻ってないと、
やっぱり変なんですよね。
最初がゼロだからっていう、
いきなりプラスプラスみたいなのが生まれるのは変だよねみたいなことですよね。
プラスマイナスでセットじゃないと。
じゃあ宇宙が最初に生まれた火の玉の状態から、
どの段階でそういう変なことが起きたかっていうと、
温度が低い、エネルギーが低い状態でいろいろ実験しても、
そういう効果って出てこないんですよ。
多分その宇宙の最初の方のめちゃめちゃエネルギーが高かった、
ホットだった状態の宇宙の時だけ多分そういうことが起きるんですね。
素粒子の研究の歴史と理論
じゃあそれを我々は人工的に再現しようと思ったら、
同じように素粒子をなるべく速いスピードまで加速してぶつけてやることで、
宇宙の最初の頃の赤ちゃん宇宙のめちゃくちゃ熱かった状態を、
すごい小さいスケールで加速で再現してやることで、
なんで反物質だけ消えちゃったのっていうのを人工的に調べることができるっていうのが、
我々の実験の形になります。
マスカワさんたちが唱えてた理論っていうのはどういう理論なんですか?
当時、Cp対称性の破れ、物質と反物質の間の対称性が崩れてるっていうのが観測はできてたんですけど、
なんでそういうことが起こるのかっていうのは全然わかってなかった。
当時、今はクォークが6個あるってわかってるんですけど、
当時クォークってまだ3つしか見つかってなかったんですよ。
クォークとは?
クォークっていうのは素粒子のうちの1つの種類なんですけど、
要子を3つに分けたらクォークになる。
そのクォーク、3種類は見つかったんですけど、
その3種類を使っていろいろ理論をこねこねしても、
なかなか物質と反物質で対称性が破れるっていうのをうまく説明できない。
うーん、なるほど。
なんか見えてないんじゃないかみたいな。
そうそう。
1個増やして、3個じゃなくて、
4個のクォークを使ってやったら説明できるんじゃない?
っていうことを考えた人もいたんですけど、
それもやっぱりうまくいかない。
じゃあ一層のことをもうあと2個足して、
6個あるとしたらうまくいくよっていうことを書いたのが、
実はその小林マスカー先生の論文なんですけど、
ものすごい勇気がありますよね。
まだ3つしか見つかってなかった時代に。
確かに。
それもすごい勇気がありますよね。
ものすごい勇気がありますよね。
まだ3つしか見つかってなかった時代に。
確かに。
あと3つ足す。
それはもう本当に理論だけでってことですもんね。
本当に理論だけです。
もう何のあれもないですよね。
予想みたいな。
予想ですね。
もうすごい勇気のある予想だと思うんですけど。
なんか周期表を見つけた人みたいですね。
そうですね。
周期表を並べて、
なんかもっと下の方にこういう原子があるだろうみたいな予想をして、
実際あったぞみたいな。
その予想も大胆だなと思いますけど、
みたいなことですよね。
そうですね。
それが1973年とか74年とかそれぐらいの時代、
僕もまだ生まれてない時代ですけど、
にそういう論文を書いたんですね。
すごいな。
で、その後すぐに残り2つと、
もうちょっと時間がかかったというか、
最後の1つの項目を見つかって、
しかもそれ以上ないっていうことも証明されてたので、
ということは、
この小林真須川理論の予言、
バッチリ合ってんじゃんっていう。
すごいかっこいいな。
予言が当たるのは。
すごいですよね。
すごいですよね。
すごいですよね。
なんか理論からせめて、
この6個だけっていうふうに予言して、
それが実験で実証されるってすごくかっこいいですよね。
面白いですよね。
実験装置の開発と性能向上
さらにその6個のクオークの中のいろんな組み合わせで、
今言ったCP解消性の破れっていうのが、
説明できてるよっていう理論から導き抜かれるんですけど、
それを筑波でやってた我々の実験と、
アメリカのライバル実験と同時になんですけど、
証明することができたので、
2008年に小林真須川理論の予言を受賞したということなんですけど、
これすごい時間かかったのわかります?
論文に出たの1973年とかなんですよ。
30年ぐらい。
結果が出たのが2001年ぐらいで、
それ最初の結果なんですけど、
まだデータ数少なかったんで、
どんどんどんどんデータ数を貯めて、
本当にこれは間違いなさそうだなっていうので、
2008年にノブル賞受賞になったんですけど、
ざっと数えると何年ぐらいですか?
30?
30数年経ってますね。
分かってるわけですよね。
素粒子の世界のアイデアが出てから、
実際に実験で確かめられるようになるまでの
タイムスケールっていうのがものすごいっていうのが
本当によく分かってます。
すごいな。
理論で30年先行ってるっていう。
本来はやってみて、
もしかしたら分かるようなことかもしれないじゃないですか。
そうですね。
それを考えてるっていう、
すごいなって思いますね。
やっぱり大きな仮測器とかを作るのは、
素粒子みたいな基礎科学とはまた別の色んな
技術が必要になってくるんで、
そういう技術がやっぱり発達してこないと
実験的に確かめるのがなかなか難しいっていう。
技術の方が後から追いついてきたっていう、
そういう感じですね。
そうですね。
そんなディズニーランド一周分のやつなんて、
僕らからしたら、
もう線路敷くだけでも大変そうだけどなみたいな。
感じしますけど。
1個改良を加えるだけでも相当時間とお金が
かかりそうですよね。
そうですね。
我々の今2代目の実験ですけど、
それも前の実験が走ってるときからもう
準備はずっと始めてて、
本当に10年とかかけて色んな装置を新たに開発して、
高い性能を出していきました。
すごいな。
しかも一発で完璧になるわけでもないじゃないですか。
多分どっか修正したりとか。
いろいろ試行錯誤しながら。
ですよね。
やっぱり過去に誰も到達したことのない性能を
出そうとしてるんで、
予想もしなかったような色んな問題が出てきて、
それに対処するみたいな。
そういうのの引き返しですね。
それって設計するエンジニアの人と、
理論屋さんの人とか、
色んな分野の人が集まって話し合わなきゃいけなさそうで
大変ですよね。
そうですね。
学問のグローバル化における素粒子研究
ソリューションの世界だとやっぱり理論を考える方と
実験をやる人っていうのは完全に分業体制だから。
僕は実験をやる方の人間なんですけど。
さらに実験をやる人っていうのは
ぶつかった後の出てくるものを捕まえる
巨大なカメラみたいな装置を作ってるんですけど、
その前にビームをまず加速してぶつけるっていう
加速器の方も作んなきゃいけないわけじゃないですか。
確かに確かに。
なので加速器を作る専門家の人と
出てきた粒子を観測する専門家って僕ですけど、
あとその理論を考える人って
3社がいるんですよね。
そうか。
だから監督とピッチャーとキャッチャーみたいな感じですね。
そうですね。
監督はなんか偉そうだから誰が偉いんだっていう。
いや分かんない。
それやっぱり勝ったら嬉しいですね。
チーム戦なんで。
確かに確かに。
そうですね。
僕の職場には今言った3つのグループの全部の人がいらっしゃいます。
中山さんはキャッチしてるってところですね。
最後の。
キャッチというか観測してっていう。
そうですね。
僕は実は結構加速器に近いこともやってるんですけど個人的には。
確かにそっちも分かってないとできなさそうですよね。
そうですね。
いろんな人によってどの辺を守備範囲にするかっていうのを
お互いにゆるくオーバーラップしながら
いろんなことをやってるっていう感じなんですよ。
なるほど。
だいぶ添えちゃいましたけど
あれ宇宙の話になってたのか。
そうそう。
だから結局宇宙の最初の頃の扱った状態の時に
何が起きたかっていうのを調べたいから
ソリューシーでエネルギーが高い状態を作って観測することで
赤ちゃん宇宙の状態の時を調べる。
だからソリューシーと宇宙がつながっていく。
そういう感じです。
なるほどなるほど。
だから昔の宇宙を再現しようみたいな感じですね。
物質と半物質、暗黒物質とダークマター
なんかすごい平たく考えると。
そうですそうです。
加速させてできるっていうのがすごいですね。
めちゃくちゃスキルがちっちゃいですよね。
確かに。
そうですねなんとなく変わりました。
結論だから物質と半物質の話
宇宙の最初にありましたよっていう話が出てきて
なぜか物質残ったよっていうのが小林マスカー理論で
理論とあと実験でわかったと。
だけどまだそれでも説明できてないっていうことがあったりするんですか。
そうなんですよ実はこの小林マスカー理論で説明できる
物質と半物質の対照性の破れっていうのは
今の宇宙の本当にもう99.9%全部物質で半物質全然いないよっていうのを説明できるほど
大きくないんですよクォークだけでは説明できる部分っていうのは。
完全じゃない。
なのでクォーク以外の他の種類のソリューシーの中にも
物質と半物質の対照性の破れっていうのはきっとあるはずで
それを専門に研究している方々ももちろんいらっしゃいます。
他にも今今日の話はあんまり出てこなかったんですけど
例えば宇宙には暗黒物質ダークマターって呼ばれるものとか
暗黒エネルギーダークエネルギーって呼ばれるものがあるっていうのが
他の観測からわかってるんですけど
それを標準理論でどうやって説明するのって言われると
それに相当するものって全然今のところ何もないんですよ。
なんなら宇宙ってほとんど
暗黒物質とか暗黒エネルギーだって聞いたことありますけどね。
そうですね。なので
っていうことはまだまだ全然宇宙のことわかってないですよね。
っていうことですか。
なのでそういったいろんな標準理論とってもよくできた理論なんですけど
全然まだまだ宇宙のこと説明できてなくて
いろんなアプローチで宇宙の謎を解き果たしていくっていうのが
それしか理学のミッションとしてまだいらない。
なるほど。
ちなみに暗黒物質がほとんどってさっきレンさん言ってましたけど
どれぐらいなんですか。
実は我々が見えている宇宙の中で
普通の物質っていうのは多分5%ぐらいしかなくて
暗黒物質で確か27%
暗黒エネルギーで70%とかなんで全然わかってない。
暗黒エネルギーと暗黒物質って違うんですね。
なんかすごい邪悪な感じしますよね。
怖いですね。
ダークですか。
これ名前の付け方が非常に悪いし
なんかいろんなゲームとかで絶対ボスの名前に
ダークマザーとか出てくるから
すごい印象悪いんですけど
要するに見えないっていうことを言ってるだけなんですね。
宇宙の謎と研究の将来展望
本当に暗いっていう感じ。
光も何も出さないから観測に引っかからない
そういう意味でダークってただ言ってるだけなんですけど
別に邪悪さは全然実はないんですけど
我々からするともうすぐ頭が痛い現象なんで
見えないって結構難しいですね。
研究する側からしたらやっぱ見えないと研究できないしみたいな
ただダークマザーの場合は重さはあるので
遠い宇宙の銀河とかを観測してると
なんか引っ張られてるなってことは
ここに見えないとこなんかあるはずだぞっていう
そういうのでダークマザーってあるなっていうのが分かってるんですけど
それが我々が知ってるこの表現理論の中で
どうやって説明するのって言われるとまだ全然
いろんな仮説はあるんですけど
全然正解が分かってない
だからまた半物質とかとはまたちょっと違うみたいな
そうですね。
今あるいろんな仮説の中の一つがまたなんか
小林マスカー理論みたいな感じで
今すでに理論で予想してて
いつか加速器とかで実証されるかもしれないっていうことなんですかね。
そうですね。
暗黒物質の候補を見つけようとしてるいろんな実験があって
それは加速器って言ったらないものがほとんどなんですけど
そういったもので何か信号が出たら
もしかしたら見つけるかもしれないですね。
すごいな。
見えてるものだけでもただ5%っていうのも
ちょっと衝撃でした。
全然分かんないですよね。
全然分かんないですね。
そっか、半物質。
サイエントークでもすごい前に
アミノ酸と素粒子の謎
アミノ酸って右手型、左手型ってあるよみたいな話をしたことがあって
それとちょっと似てますよね。
ちょっと似てますよね。
あれも僕たちの体とかにあるアミノ酸って
片方しかほとんど残ってなくて
もう片方作りはするけどどこ行ったみたいな謎って
まだ解かれてない謎としてあると思うんですけど
そうですよね。
薬を人工的に合成しようとするとどっちもできちゃって
片っぽは薬になるんだけどその反対側は毒になるみたいな
そういうのありますよね。
人工的に作るとどっちもできるはずだから
なんで地球上では片っぽの人間しかいないのみたいな
いやそうなんですよ。
不思議ですよね。
逆の生き物いても別に全然不思議じゃないじゃんって思うんですけど
いないし
宇宙見たら半々だったりするんですよね。
宇宙見えてるんですか?
この間はやぶさ2が持ってきたサンプルが
結局偏っているわけでもなく半々でしたみたいな
そうなんですか。
感じで言ってて
だから結局偏った原因はよくわからないわけですよね。
地球に生命が生まれたタイミングで
地球上に片っこだけを作るような何かが起きてたんですかね。
その原因が宇宙からまた来たのかとか
全然わかってないと思うんですけど
それみたいですよね物質と半物質も
別に半物質側でいてもいいじゃんみたいな話って
同じような感じですよね。
そうですね。
だからいろんな
スルーしたらすごいちっちゃい世界の話ですけど
今言ったようなタンパク質の話とか
いろんなスケールが違うところで
大衆性の話っていうのが出てくるので面白いですよね。
だから面白いのかもしれない。
謎を研究しがいがあるというか。
そうですね。
人間って対象性が美しいものに惹かれるっていうのが
たぶんもともとあって
タージマハールっていうああいうお城とか
ものすごい綺麗に再開所になってるじゃないですか。
平等に行くような王道とかも。
でも逆に日光にあるどこかのお寺の門は
わざと片っこだけをちょっと違うように作ってあって
わざとその対象性を破ってる。
破ってる。
確かに。
今日の話聞いたら
対象性崩れてるとかじゃなくて破れてるって言いたくなりますね。
そうですね。
本当に対象性が面白いなと思います。
ちょっとスケールが大きくて
対象性とかそういう話なんだって。
本当に素人で申し訳ないんですけど
こういうことが起きてるんだなっていうことを
今初めて知りました。
でもこれって科学系のことで言うと
すべての根本みたいなお話じゃないですか。
そうですね。
素粒子はいろんな理論の一番元になるところではあると思うんですけど。
結局生き物とかもみんな突き詰めていったら
その素粒子的なところに行き着いたりもするだろうし
化学反応とかだってそうですよね。
突き詰めたら
大体分子とか原子とか説明できますけど
素粒子まで見ないといけないのかもしれないとか
あるかなと思って
基礎のさらに基礎みたいな感じの研究ですよね。
そうですね。
例えば素粒子のことが全部分かったら
超音超電動が分かるかというと
それは全然また違う話で
結局素粒子一個一個の振る舞いは計算できたとしても
それが10万個とか何百億個集まったときに計算できるかというと
それはできないので
まずは大きさのスケールによって
それぞれに適した理論を作ってやらないと
素粒子が分かったら全部分かるという話ではないですよね。
ただ素粒子で新しい発見があるとそれを元に新たな
だからそういう意味では
結構いろんな分野にも影響を与え得るという意味では
すごい大事な研究ですよね。
そうですね。
素粒子研究の応用
あとは直接のインパクトというよりは
どちらかというと普段物みたいな感じなんですけど
大きい仮測器を頑張って作るわけですけど
そうすると基礎的な技術がどんどん上がってきて
仮測器って実は医療とかにも使えるんですよ。
そうすると医療に使っている粒子線治療とか
ガンの治療とかを使うんですけど
そういう仮測器も昔は部屋一個分ぐらいある
そこでやらなきゃいけなかったのが
我々はすごい極限状態を頑張って作るために
いろんな開発をするんですけど
そういうのを流用してよりコンパクトに作ることができている。
ペットといわれるガンを診断するときに使うやつとか
あれも出てくる素粒子を捕まえる独自のセンサーを使った
そういう診断方法なんですけど
結構いろんな難しいチャレンジをすると
そこで生まれてきた技術って
全然違うところにも実は応用できたりとかして
一番わかりやすいのがインターネットなんですけど
インターネット
もともとインターネットって
スイスのステルンという実験研究所で
研究者同士がデータをどうやってやり取りするか
というところから生まれたんですけど
それが今は我々の世の中には
欠かせなくなっているじゃないですか
やっぱりすごい極限のチャレンジをすると
いろんなそれに必要なものを開発しなきゃいけなくて
それが全然違う
我々の日常に近いところにも使える
みたいな話も実は結構あるので
面白いですね
クリエイティブな研究
別に意図してないわけですもんね
そうですね
我々は自分の実験に必要なものを
作ろうとしているだけなんですけど
そういう極限状態のチャレンジというもの自体が
普段お水吸ってんの?
多分究極のクリエイティブ感はありますね
売ってないですかね装置で
ですよね自分で作んなきゃいけない
そうなんですよ
売ってたらどんだけ楽かと思いますけど
僕とかも研究はやりますけど
基本的に装置とかはあるやつで
それ組み合わせてぐらいですけど
誰も作ったことないやつを見なきゃいけないから
それの機会から作るってやってると考えると
まず一緒に作ってくれる会社さんを
探すところから大変なんですよね
確かに確かに
1個作ったからってそれ100個とか1000個
作るわけじゃないじゃないですか
そうですね結構
会社の方も1個しか作れないですかみたいな
感じになっちゃうんで
そこを何とかお願いしますって
言ってくれてるんですよね
いやすごいな
その辺ちょっと後半でも
聞いていきたいところかなと思っていますね
加速器の中で起きる現象
ここまで素粒子ってなんだって
なんで宇宙と繋がってるんだろうみたいな
お話ってかなり分かりやすくお話ししていただいたんで
ただ加速してるだけじゃなくて
それこそで起きてる現象とかって
昔の宇宙を再現してるんだよみたいな
感じのイメージとかは伝わったかなと思います
もしこういうことが気になるとかあったら
また聞いてる人とかも意見とか欲しいですし
先に聞くの忘れたんですけど
もし何か質問あったら
後でちょっとまとめて送ったりとかって
しても大丈夫ですか
全然大丈夫です
大丈夫ですか
高校生の見学とかで質問受け付けてるので
ありがとうございます
もし何かあったら
ちょっとすごいハイレベルな質問を
送るかもしれないですけど
いろいろ多分お答え
実際現場でやられてるからこそ
お答えできるとかもあるかもしれないんで
ぜひそういう方も
リスナーの方
また聞きたいことがあれば
よろしくお願いします
お願いします
ということで前半はここまで
中山さんにご説明していただきました
後半もぜひよろしくお願いします
ありがとうございます
よろしくお願いします
ありがとうございました
ありがとうございました
