早稲田大学 理工学研究所 Research Institute for Science and Engineering

究極の素粒子の解明を目指して国際協力で進める巨大実験 寄田浩平教授

1素粒子物理学が目指すもの

図1 現在の素粒子周期表
図1 現在の素粒子周期表

最後のピースであったヒッグス粒子は2012年にATLAS/CMS実験で発見されました。

『物質の根源、究極粒子は何か?』と『そこに働く物理法則は?』という極めて素朴な謎を解き明かし、自然・宇宙を科学の言葉で理解することが素粒子物理学者の目標です。現在知られている究極の粒子、いわゆる“ 素粒子”は6種類のクォークと6種類のレプトン、4種類のゲージ粒子と呼ばれる力を伝達する粒子に分けることができます(図1)。例えば、原子は原子核と電子から構成されていますが、原子核は陽子と中性子からなります。さらに、その陽子や中性子は3つのクォークがグルーオンというゲージ粒子によって束縛されているということが知られています。これらのクォーク、レプトンとゲージ粒子で素粒子の世界を記述するモデルを一般に素粒子の「標準模型」と呼びます。

この標準模型は非常に有効な理論体系であり、これまでの様々な実験データを高い整合性で見事に説明してきましたが、一方で不完全な有効理論であるということも事実です。なぜなら標準模型は、ニュートリノ質量問題、階層性問題、暗黒物質の存在や力の統一などの究極的な疑問に完全に答えることができていないからです。このような究極問題を解くために世界中の実験物理学者は長きにわたり、より高エネルギー状態を生成しうる加速器の建設に挑戦してきました。新しい素粒子現象は、こういった高エネルギー状態で初めて現れるからです。

E=MC2からもわかるとおり、「より高いエネルギー」は「より重い粒子を生成」できます。また「より高いエネルギー」は「より初期の宇宙の状態を人工的につくっている」ともいえるのです。そこでは現在の冷めた宇宙では観測できない未知の現象が起こるため、実験データを綿密に精査することで、究極の素粒子像の実体に迫ろうというアプローチをとるのです。世界最高エネルギーの加速器実験は、「エネルギーフロンティア実験」と呼ばれ、世界的にその競争が繰り広げられています。現在のエネルギーフロンティア実験は、CERN(欧州合同原子核研究機関)で2010 年から稼働した大型ハドロン衝突型加速器(LHC: LargeHadron Collider)での実験です。

2最先端加速器「LHC」 最先端検出器「ATLAS」

CERNにあるLHC は、スイス・フランス国境を何度もまたぐ円周27㎞の巨大な加速器です(図2)。陽子を加速するための加速空洞と、これを曲げるための超伝導磁石が並ぶリング内で陽子をほぼ光速(光速から時速10㎞程度引いた速さ)まで加速することができる装置です。

LHC によって加速された陽子が衝突する場所は数箇所ありますが、その中でもエネルギーフロンティア研究を目的とした実験グループがATLAS 実験とCMS 実験です。私自身、シカゴ大学に在籍していた2005年からATLAS 実験のメンバーとして研究を行ってきました。このATLAS 実験は、世界中約70 カ国の国々から2500人を超す物理学者が集まり、高さ22m、長さ40m以上という超巨大検出器を国際協力で作り上げた研究チームです(図3)。この重量7000トンにも及ぶ検出器には、粒子のエネルギー・運動量を正確に測定するための1億6000 万チャンネルを超える信号読み出しがあり、新粒子・新現象が起こるのを24 時間体制で待ち構えています。

図2 LHC 実験の概観図
図2 LHC 実験の概観図

円周27 ㎞ のLHC と衝突点に設置されているATLAS 検出器などの設備は、地下100m のトンネル内にあります。
(写真提供:CERN)
図3 ATLAS 検出器全体模式図
図3 ATLAS 検出器全体模式図

ビームラインから一番近い側から「内部飛跡検出器」、「カロリメータ」、「ミューオン測定器」という配置になっています。
(写真提供:CERN)

3早稲田大学の取り組み ヒッグス粒子の発見

本大学着任直後から約1年かけて国内外の調整・交渉を進めた結果、ようやく2009年10月に早稲田大学のATLAS 実験への参入が正式に承認されました。

新しい研究グループがATLAS実験に新規参加する際は、様々な義務や役割が要求されます。早大グループは特に内部飛跡検出器の運転・管理、新しいトリガーエレクトロニクスの開発構築、物理解析(データ解析)を中心に、幅広い貢献をすることが求められました。高輝度環境下で高速に飛跡を再構成する新しいトリガーエレクトロニクス開発は、シカゴ大学やピサ大学と共同で進めてきた重要な増強計画の一つです。陽子陽子衝突が40MHzの高頻度で起こる過酷な実験環境に対応できる専用の電子回路を製作する必要があります。早大グループはその設計・試験・量産・挿入を首尾一貫して行い、高い評価を得ています(図4)

図4 早稲田大学グループが開発した高速飛跡再構成用の電子回路基板
図4 早稲田大学グループが開発した高速飛跡再構成用の電子回路基板

プロトタイプ基板で様々な試験や最適化を繰り返し行いました。
2014 年後半にATLAS 実験の正式レビューをクリアし、最終的に80 台を量産、ATLAS 実験に挿入しました。

一方、私自身が参入当初から特に力を入れてきたのが、「ヒッグス粒子」の探索です。標準模型では、宇宙創成後約10-10秒後、真空が“ 真空期待値” をもつヒッグス場に相転移し、電弱対称性が自発的に破れ、その結果「質量=(粒子と場との結合定数)×(真空期待値)」として粒子の質量が生成され、現在の宇宙のような姿になったと理解されています。しかし、標準模型には質量と結合定数(湯川結合)の予言能力がないため、この機構の真偽は実験で検証するほかに手段がありません。したがって、まずは場の実体である「ヒッグス粒子」の発見が素粒子物理学の最大急務の課題だったのです。

図5 ヒッグス粒子がτ粒子対に崩壊する過程の探索結果
図5 ヒッグス粒子がτ粒子対に崩壊する過程の探索結果

多変量解析により信号事象を抽出しており、データ点はヒッグス粒子の存在を示しています。これは早稲田大学の学生がCERN で主導して行った解析であり、湯川結合の存在を世界で初めて証明した結果です。

2012年、ATLAS実験で取得したデータを解析したところ、存在予言から50年来の謎であったこのヒッグス粒子をついに観測することに成功しました(図5)。この業績を受け、2013年のノーベル物理学賞はヒッグス粒子を予言した理論物理学者のアングレール博士とヒッグス博士に贈られました。授賞理由は、「原子以下の微粒子の質量起源のメカニズムの理論的発見とその理論が予言した基本粒子がCERNのLHC ‐ ATLAS/CMS実験で発見されたことによって、その理解が裏付けられたことに対して」です。

このような数十年に一度のエポックメイキングな大発見に早大グループも直接貢献できたことは大きな成果だと思っています。早大グループは現在もヒッグス粒子の性質解明(トップ湯川結合やCP測定)、新しい重粒子探索や特殊な飛跡を残す信号事象の探索など、新発見に向けた研究を精力的に展開しています。

4まとめと今後の展開

ヒッグス粒子の発見で標準模型は一通り完成しましたが、素粒子の世界をすべて理解したというわけではありません。先にも述べましたが、標準模型は“完全に不完全”な有効理論だからです。

LHC 実験は2015年春から重心系エネルギーを13TeVに上げて運転をしており、今後20年近くは稼働し続ける予定です。今後もヒッグス粒子のより詳細な性質解明も引き続き行いますが、さらに注目すべきは標準模型を超える新しい物理現象の発見です。なかでも超対称性粒子に注目すると、“ ヒッグス粒子族” は最低でも5個存在しなくてはなりません。また、超対称性粒子の一つが安定な場合、宇宙の最大の謎である暗黒物質の候補にもなりえます。ヒッグス粒子の発見を踏まえ、素粒子物理学は空間がもつリッチな構造の解明、あるいは時空そのものを研究対象とするような新しい学問体系に発展しています。本当の意味での人類の未到領域を実験的に検証できる 時代になったともいえるでしょう。

ATLAS実験のような大規模国際協力で進めるエネルギーフロンティア実験に参加し、実質的な活躍ができている私立大学は日本では早稲田大学だけです。これは現実問題として、国と国が深く関わるような国際大規模実験に私立大学が参加することが困難だということを意味しています。しかし早稲田大学は、世界の最前線の純粋研究を重要視し、国際的活動を支援する体制があるため、このような世界規模での研究活動が可能となっています。また、早稲田大学には海外でも活躍できる元気な学生が多いことも大きな強みです。実験現場は若い学生らの情熱と努力で支えられているからです。今後も学生達とともに標準模型を超える全く新しい発見に向けて邁進すると同時に、素粒子物理学を通して純粋基礎物理学の発展に貢献していきたいと思っています。

▲ ページTOPへ戻る