（ミクロの世界の奥深くにある宇宙の真実を捉える素粒子物理学略史）

より小さな粒子を発見するたびに、私たちは万物の本質に一歩ずつ近づいています | CERN の第一線の専門家とヒッグス粒子研究チームのメンバーによって書かれ、「ニュー サイエンティスト」誌とアメリカの雑誌から強く推奨されています図書館協会

編集者の選択

★CERNの第一線の専門家とヒッグス粒子研究チームのメンバーが執筆し、素粒子物理学の開発プロセスと実験の秘密を解説
Ifo van Valpen は、大型ハドロン衝突型加速器施設にアクセスできる世界でも数少ない科学者の 1 人であり、素粒子物理学のトップの専門家です。この本の中で、彼は過去 1 世紀にわたる素粒子物理学の主要な発見について詳しく説明し、あなたを地下100メートル、長さ27キロメートルに埋められた「機械の王様」大型ハドロン衝突型加速器が素粒子物理学の最前線に触れる。

★素粒子物理学の発展史をつなぎ、ノーベル賞受賞の巨匠たちと一緒に探求
燃える太陽、爆発する核爆弾、医療スキャン画像、クリーン エネルギーの供給...小さな粒子は人類の歴史に大きな影響を与えます。原子の組成から素粒子や標準模型の構築に至るまで、アインシュタイン、プランク、ファインマン、ヒッグスなどのノーベル賞受賞の巨匠たちと一緒に、より深く小さな世界の本質を探求します。

★より小さな粒子を発見するたびに、私たちは万物の本質に一歩ずつ近づきます。
「神の粒子」ヒッグス粒子の発見は、宇宙の究極の真実に一歩近づき、物質の終焉を探求する上で大きな前進となる。本書の著者は自ら研究プロセスに参加し、その曲がりくねった宇宙について私たちに語る。発見の道です。その上で、素粒子物理学の未来はどこへ向かうのか、著者自身の答えも述べます。

★「科学初心者」でも読みやすいストーリーと本格的な科学のバランスが絶妙。
素粒子はレゴの最小構成要素に相当し、新しい粒子を探している科学者はフィールド探検家のようなものです。本書のわかりやすい言葉と適切な例えにより、素人の読者でも素粒子物理学の微妙な点を理解できます。

簡単な紹介

物質の起源を追跡するにはどうすればよいですか?この本の中で、オランダの物理学者イフォ・ファン・ヴァルペンは、原子の構造の構想から標準模型の構築、ヒッグス粒子に至るまで、より深く、より小さく、より先への旅へと私たちを誘います。サイコロの発見と素粒子物理学におけるあらゆる成果は、私たちは万物の究極の真実に一歩近づきます。燃える太陽や核爆弾の爆発から、医療画像処理やクリーン エネルギーの供給まで、小さな粒子が世界を形作ります。最後に、地下深くに埋められた全長27キロメートルの大型ハドロン衝突型加速器「機械の王様」に迫り、粒子衝突の奇跡を目撃し、将来現れるかもしれない新しい粒子や新しい現象を想像し、粒子について考えます。世界が人類にもたらす未来の啓蒙。

著者について

[オランダ人] イヴォ・ファン・ヴルペン
オランダ国立素粒子物理学研究所の素粒子物理学者であり、アムステルダム大学の物理学の講師。 CERN では、大型ハドロン衝突型加速器施設にアクセスできる数少ない物理学者の 1 人として ATLAS 実験に参加し、「神の粒子」であるヒッグス粒子の発見と研究に参加しました。

目次

序文
第1章 ゲームルール
第2章 原子力革命
第 3 章 標準モデルの粒子
第 4 章 標準模型における力
第5章 ヒッグス粒子の発見
第6章: 未知の土地、未知の旅
謝辞

序文

「宇宙が存在することを当然だと思わないでください。おそらく宇宙など存在しないからです。」 この奇妙で不可解な発言は、深い哲学的思索の始まりのように、あるいは知恵を競うカクテルパーティーの開会の挨拶のように聞こえます。 . .実際、この言葉は物理学者のポール・デ・ヨングがアムステルダム大学の正教授だったときの就任演説で述べたものである。彼はスピーチの中で、「存在はなぜ存在するのか?」という究極の質問に答えました。この一見単純な問いは実はとても奥が深いのですが、「なぜ」だけを考えていてはなかなか前に進みません。宇宙のようなものがたまたま存在すると仮定すると、それらがどのように見えるかに注目し、この奇妙な世界ですべてがどのように機能するかの法則を理解しようとするなど、より現実的な観点からそれを考えることができます。 。
もちろん、電気がどのように作られるのか、なぜ水は透明なのに石は透明ではないのか、太陽のエネルギーはどこから来るのか、あるいは宇宙は存在するのかなど、気にすることなく100歳まで生きることができます。初めて「なぜ」と自問したとき（多くの場合偶然）、自分の周囲の当たり前のこと、あるいは些細なことと思われている事柄について、自分がいかに無知であるかに気づきます。オンラインでは、マウスを動かすだけで多くの質問に対する答えを見つけることができますが、まだ答えのない質問もたくさんあります。自然は、何らかの努力なしにその最も深い秘密をあなたに明らかにすることはありません。私と同じように、何世代にもわたる物理学者は、これらの謎を少しずつ解明することに人生を捧げてきました。私たちの周囲で観察される現象を注意深く研究し説明することによって、私たちの行動を導くパターンや根底にある自然の法則を徐々に特定しようとします。なぜなら、これらだけが根本的な問題を説明できるからです。
すべてはどのように機能するのでしょうか?なぜこのように機能するのでしょうか?知識を広げるためには、未知の領域を探索する必要があります。どの分野でも、限界を超えることはたまらなく魅力的です。人々はスポーツの記録を破り、自然の限界を征服し続けており、また、それらの画期的な冒険家たちのことも覚えています。ジム・ハインズは 100 メートル走で 10 秒未満で走った最初のアスリートであり、エドモンド・ヒラリーとテンジン・ノルゲイは 1953 年にエベレストに登頂し、初めて世界の頂点に達しました; ジャックは 1960 年にピカールが世界記録を樹立しました。人類による海底の最も深い探査、マリアナ海溝で深さ 10,000 メートル以上に潜り、1911 年にロアルド・アムンセンが南極点に初めて到達した人になり、1969 年にニール・アームストロングが人類で初めて南極点に足を踏み入れた人になりました。ムーン。彼らは人間の想像力の限界を広げた不滅のヒーローです。現実世界でも精神世界でも、彼らは私たちの世界を広げ、私たちは次なる挑戦に向けて彼らの足跡を追い続けます。
これらの先駆者は、最初になり、最速かつ最善のことを行いたいと考えており、科学者も例外ではありません。彼らは境界線を知り、普通の人には達成不可能だと思われる目標を設定することを望んでいます。彼らはまた、長年にわたって前任者たちを悩ませてきた疑問に真っ先に答えることに熱心です。彼らの前には、古代から現代に至るまで、「なぜ」という究極かつとらえどころのない疑問を解決するために生涯を費やしてきた無数の学者たちがいる。
私たちは冒険や進歩を「より大きく」、「より良く」、「さらに」と連想しますが、一部の科学者はその反対の極端、つまり小さい、小さい、最小限のことを研究しています。シンプルな塔や城から巨大な宇宙船や素晴らしい世界全体に至るまで、子供たちがレゴ ブロックで信じられないほどの建造物を組み立てることができることは周知の事実です。しかし、どんな形を組み立てても、すべては小さなブロックから始まります。自然界にも同じパターンが見られます。星から人間、水滴からウイルスに至るまで、私たちの周りのすべての複雑な物体は、同一の小さな構造単位で構成されています。自然を構成する基本的な粒子を研究する科学者は、これらの粒子が私たちの日常生活の中でどのように複雑に構成されているかを研究するために素粒子物理学者と呼ばれます。これは、らせん階段を降りて宇宙の謎を一歩ずつ深めていくような、冒険であり、スリリングな発見の旅です。
この本は、科学をたゆまぬ探求する科学者たちの物語です。彼らは何百年もの間、自然の最小構造単位とその内部組成を追求してきました。この探索は、質問をし、質問に答え、そして新たな質問をするという終わりのないサイクルのように感じることがあります。もちろん、私たちは確かに最終的な答えに常に近づいていますが、これまでのところ、自然に対する私たちの理解において、もう一つの印象的な発見があります。それは、宇宙とその法則は非常に狂っているということです。
何百年もの間、考古学者が地面を深く掘り続けてきたように、私たちは螺旋階段をゆっくりと降りています。新しい発見はすべて新しい大陸を発見するようなもので、豊かな知識と広い視野をもたらし、自然についての革命的な理解と古代の疑問に対する新しい答えを私たちにもたらします。しかし、新たな発見は新たな疑問をもたらし、より深い秘密が発見され、新たな希望と夢が生まれ、私たちがまだ終わりではないことは明らかです。
この本では、私が愛する素粒子物理学の世界へ、この螺旋階段を一歩ずつ下りていきます。しかし、これは目には見えない世界であり、量子力学、相対性理論、粒子加速器などの一見魔法のような動作や科学機器によって制御されているため、注意が必要です。これらの用語は、物理学を理解していない人にとっては高尚に聞こえるかもしれませんが、まだ諦めないでください。新聞に記載された新しい発見に興味がある人のためにこの本を書きました。自然の螺旋階段を下りながら、途中で発見したことだけでなく、私たちがどのように各ステップを踏んだのか、そしてそれらの発見が社会にどのような変化をもたらしたのかもお見せします。
たとえ古生物学者が恐竜を見たことがなく、今後誰も恐竜を見ることはないとしても、恐竜の骨やその他の残骸を調べることで、1億年近く前に消滅した世界について知ることができます。素粒子物理学者も同様の研究を行っており、古生物学者にとって恐竜が到達できないのと同じように、私たちが探求する世界は人間の到達範囲をはるかに超えているようです。なぜなら、私たちが興味を持っている世界は、肉眼で見える世界よりも何百万倍も小さいため、人間の目で直接見ることができないからです。しかし、古生物学者がばらばらの恐竜の骨を組み立てて完全な骨格を作るのと同じように、粒子間の衝突の残骸を注意深く統合することで、この小さな世界をより深く掘り下げることができます。
科学者たちがこれらの疑問について新しい考え方を生み出し続ける中、宇宙の基礎を理解するための絶え間ない探究がテクノロジーを何度も限界まで押し上げています。これらの新しい発見の数式とより深い意味を真に理解している人はほとんどいませんが、この目標を達成するために使用されている発明や技術は至る所にあります。実際、これらは現代社会の構造の一部となっています。相対性理論がなければ GPS (全地球測位システム) は存在せず、量子力学がなければコンピューター チップも存在せず、反物質がなければ腫瘍の位置を特定する PET (陽電子放射断層撮影法) スキャナーも存在せず、粒子加速器も存在しません。 、悪性腫瘍が見つかった場合は放射線照射ができません。
この科学分野は、ほこりっぽい研究室に孤独な老科学者が座っているという一般的なイメージとは程遠いもので、むしろ多国籍企業のようなもので、国に関係なくあらゆる国の科学者が協力して取り組んでいます。この大規模な多国籍研究機関で協力して働いてください。ジュネーブにあるCERN（欧州原子核研究機構、欧州核研究センター）、欧州素粒子物理学研究所がそのような組織である。それは単なる研究所ではなく、大規模な社会学的実験でもありました。なぜなら、異なる意見を持つ少数の物理学者を説得して協力させるのは簡単ではないからです。ましてや100カ国以上から集まった何千人もの物理学者を説得するのは簡単ではありません。しかし、彼らの共通の夢のおかげで、宇宙の基本的な構成要素についてもっと学びたいと願っています。その過去と未来。その結果、これらの奇妙な物理学者は、私たちの知識の最前線を前進させ、次々と新しい秘密を解明することに成功するために多大な努力を払ってきました。
素粒子物理学は、科学者たちが宇宙の仕組みに関する大きな疑問への答えを切望している冒険であり、この本は私たちがどこまで到達したかを示しています。現実の最も深い層では、宇宙の物質がいくつかの異なる基本的な構成要素で構成されていることが明らかになりますが、同時に混乱を招くパターンや現象にも直面します。たとえば、2012 年に、惑星や恒星が存在する真空は実際には空ではなく、神秘的なエネルギー場で満たされていることが発見されました。すべての基本的な構成要素に質量を与え、それらを組み合わせて太陽や地球のような物体を形成する場。しかし、多くは不明なままである。素粒子の世界で見られる神秘的で間違いのないパターンはどのようなメカニズムで支えられているのでしょうか?宇宙そのものの起源は何でしょうか？これについてはまだわかりません。これらの答えのない質問に答える、より深い基盤、より深い真実につながる隠し扉がどこかにあるはずです。しかし、そのドアはどこにあるのでしょうか？どうやってそこにたどり着くのか？一緒に探しに行きましょう！

メディアのコメント

★なぜヒッグス粒子の発見が現代物理学の救世主となったのか――これが本書の核心である。この問題をできるだけ単純かつ理解しやすく説明するという課題が必要ですが、ヴァン・ヴァルペンは説明が上手で、一般の読者が途中で失われないように具体的である必要性を常に意識しています。 ——「オランダ人民日報」

オンライン試し読み

自然法則を識別し、理論を構築する科学者の挑戦を説明する素晴らしい比喩を同僚から聞きました。あなたが地球に降り立ったばかりの宇宙人であると想像してください。どこにいても驚かされるこの惑星では、目にするものはほぼすべてがチャンスですが、あなたは体系的に簡単なことから始めることにしました。そこで、「地球上のすべての国で行われているサッカーのルールは何ですか?」と自問します。これは簡単に答えられる明確な質問です。ただし条件があります。試合は好きなだけ観戦できますが、誰とも話したり、この件に関するものを読んだりすることはできず、観戦することしかできません。少し時間を取って考えてから、ルールの完全なリストを思いつくまでにどれくらい時間がかかるかを自問してください。
11 人チームが 2 つあることがすぐにわかります。ゲーム全体は最も外側の白線内で行われます。選手は 45 分後にチームを交代します。ゲームの最終目標は、できるだけ多くのボールを蹴ることです。相手のゴール。しかし、その2人の選手は誰ですか？両側に 1 人ずつ、めったに動かず、チームメイトとは異なる服を着ており、手でボールに触れることが許可されています。旗を持ってサッカー場を走り回っている二人の男が何をしているのか理解するのに、あるいはコーナーキック、オフサイド、選手交代、一部の試合終了時の突然の延長戦、フィールド上の奇妙なライン、そして罰則など？すべてのルールを発見することがどれほど難しいか想像してみてください。しかし、それでも、やる気があり、多くの時間を投資する意欲があれば、それは不可能ではありません。科学者も同じ課題に直面していますが、今回の舞台は私たち自身の世界です。自然はその秘密を「無料」で公開しません。注意深く観察し、自然を「疑う」ための適切な実験を計画することによってのみ、どのような現象が存在するかを理解することができます。このようにしてのみ、私たちは自然法則を徐々に解読することができます。
ちなみに、ルールが論理的である必要があるなどとは誰も言っていません。実際、自然法則は通常の論理には当てはまらず、同じものでもありません。この本で取り上げる 2 つの有名な理論である量子力学と相対性理論は、どちらも非常に奇妙なものです。ある意味、サッカーのオフサイドルールにたとえることができます。ばかげていますが、結局のところ、それがゲームのプレイ方法にすぎません。このルールを受け入れると、論理的には特定の目標のみがカウントされ、一部の目標は許可されなくなります。同様に、相対性理論や量子力学などの理論の背後にある信じられない原理は、完全に直感に反しますが、一度受け入れてしまえば、自然を原子スケールで観察するときに見られるすべての奇妙で複雑な現象を説明できます。理論は正しいです。しかし、それは論理的でしょうか？いいえ。
これらの奇妙な理論を研究することで、私たちはそれを日常生活に応用する方法を学びます。現在、ナノテクノロジーと量子コンピューティングの分野における多くの研究と進歩は、完全に量子力学の独自の理論的基礎に基づいています。この理論によれば、多くの実験結果や観察された現象は「論理的」（言い換えれば、量子力学の奇妙な法則で説明できる）ですが、なぜ世界が量子力学法則のように振る舞うのかを説明できる科学者は地球上に一人もいません。たとえば、粒子はどのようにして同時に 2 つの場所に存在したり、通常の世界では考えられないような絡み合ったりすることができるのでしょうか?妊娠と非妊娠を同時にできないのと同じように、量子の世界では、この混合状態はごく普通のことです。
理論が成功すればするほど、この奇妙な世界の法則や法則を理解するのに役立ちますが、同時に、論理枠組みの基本的な構成要素を説明できないと非常にイライラすることがあります。したがって、この場合、私たちは「どのように」を理解することから直接「なぜ」を発見することにジャンプしました。なぜ世界は量子力学の法則に従うのでしょうか?このステップを踏むと、問題は量子力学が「どのように」機能するかから、量子力学が「なぜ」機能するかに移ります。言い換えれば、これはすぐに新たな疑問を引き起こしました。貧しい科学者は常に変化する目標を追いかけています。しかし、彼らの絶え間ない好奇心は社会に莫大な富をもたらし、彼らの仕事から生まれたアイデアや応用は現代文明の基礎となっています。それでも、「なぜ」と問い続ければ、地球上で最も賢明な科学者でさえすぐに言葉を失ってしまうでしょう。
過去 100 年にわたり、素粒子物理学者は原子核の最も深い部分に近づくために段階的に試みてきました。私たちの冒険の過程で、私たちはいくつかの重要な進歩を遂げ、宇宙のすべての物質の基本的な構成要素、素粒子、そして自然の基本的な力についてのさらなる洞察を得ました。私たちはこれを誇りに思う十分な理由があります。素粒子の世界を掘り下げる前に、私たち人間が操作することを学んだ簡単な自然法則と、私たちが発見した自然法則のいくつかを紹介したいと思います。これら 3 つの例は、私たちが当たり前だと思っていることの中には、論理的根拠がないものの、純粋に基礎研究から生じる日常的な応用において重要な役割を果たしているということを示しています。最初の 2 つの質問には、電気がどのように生成されるか、および遺伝子特性が体内のどこにコード化されているかが含まれます。
今日の社会の繁栄と人間の生活様式に対する最大の脅威の 1 つは、エネルギー不足です。実はこの問題についてあまり考えられていませんが、西洋社会は現在エネルギーに大きく依存しており、電気がなくなってしまうと1日も経たないうちに社会全体の稼働が完全に停止してしまいます。突然の停電が発生した標準的な勤務日を想像してみてください。目覚まし時計も照明もコーヒーマシンも車もエレベーターもATMもテレビもコンピュータもラジオもインターネットも電話も食器洗い機もありません。 。エネルギーが公の場や政治的な議論でホットな話題である理由がよくわかります。この本では、地球の化石燃料の限られた供給、緊迫した地政学的利害、二酸化炭素の排出、グリーンエネルギー、原子力論争など、この複雑な問題のすべての側面を論じているわけではありません。これらの分野の専門家であれば、これらの問題に関する研究で図書館全体が埋まる可能性があり、議論は激化し続けています。ここでの物理学者としての私の仕事は、質問をすることです。この質問は上記の議論の中心的な役割を果たしませんが、誰もが答えられることを願っています。「どうやって発電するのか?」たとえば、普通の練炭（バーベキューグリルで使用される種類）をどうやって電流に変えるのでしょうか？私たちが今これを行うことができるのは、自然が単純な現象を通してこの秘密を私たちに明らかにしてくれたおかげです。この一見単純な自然現象は、人間の生活と文明を根本的に変えました。
約 150 年前、ジェームス マクスウェルは 4 つの有名な公式を使ってすべての既知の電磁現象を記述することに成功しました。それ以来、その公式は彼の名を冠し続けています。それが「マクスウェルの方程式」です。彼らは、磁場と電流が密接に関連していることを実証し、マイケル・ファラデーによって初期に発見され、人間が発電する方法も提供した法則など、非常に複雑な電磁現象を説明しました。
あまり刺激的な話ではないかもしれませんが、銅製のコイルに磁石を通すと、実際に磁場が発生します。磁場はもともと存在せず、磁石をコイルの中心に動かすと非常に強くなりますが、磁石を完全に外すと磁場は消えます。このプロセス中に、ワイヤは電流を生成します。これは私が使用できる最も単純な方法であり、これ以上複雑にすることはできません。自転車のライトでも、最新鋭の原子力発電所でも、このようにして電気が生成されます。
自転車に乗ると、ライト用の電気を発電します。ハブ ジェネレーターは、掃除機のホースにきれいに巻き付けられた長いワイヤーのような、長く巻かれた銅線です。コイルには磁石があり、ローラーと呼ばれるギアを介してホイールに接続されています。ペダルを踏むと車輪が回転し、磁石も回転します。私たちが発見した自然法則によれば、銅コイル内の磁場を変化させると電流が発生し、その電流は実際に銅コイルを流れます。次に、電気が細い金属線を通ってランプに伝わり、ランプが加熱されて輝き始めます。意外なことに、自転車のライトだけでこんなにも魔法がかかるのです。もちろん、だからと言って人々がハイテクエネルギー大手を賞賛するのを止めるわけではありませんが、大規模な石炭火力発電所もほぼ同じように動作し、銅線のコイルの中で磁石が回転します。唯一の違いは磁石の動き方です。自転車ではペダルをこいで磁石を動かしますが、奇妙なことに発電所ではタービンがその仕事を自動的に行います。蒸気がブレードを押すことでタービンが回転します。ブレードはギアボックスを介して磁石に接続されています。では、どうやって蒸気を作るのでしょうか？容器に入れた大量の水を加熱することによって。では、どうやって水を加熱するのでしょうか？コンテナの下に石炭の山を燃やします。それはとても簡単です！
もちろん、発電所ではプロセスのあらゆる段階が可能な限り効率的になるよう、何千人もの人々が毎日懸命に働いており、ここで説明できる以上の多くの段階が関係していますが、私が説明したのは基本原則です。 。原子力発電所はほぼ同じように動作しますが、唯一の違いは水を加熱する方法です。原子力発電所では、この仕事はウランなどの重原子の原子核が分裂するときに放出される粒子によって行われます。風力発電も同じ原理で動作します。風がタービンの回転ブレードを吹き飛ばし、銅コイル内の磁石を回転させます。