2008年に戻って、陽子のビームは、世界で最も強力な粒子加速器であるラージハドロンコライダー（LHC）の周りを最初に飛び回りました。 10年後の今、この施設のおかげで私たちが学んだことと今後の展望を振り返る時が来ました。
この計算には、LHCが実施できる将来の研究と、LHCが達成できるエネルギーをはるかに超えるエネルギーで粒子を衝突させる可能性のある新しい施設の両方が含まれます。 LHCの2つ、またはおそらく3つの可能な代替品が提案されています。それでは、私たちがどこにいるのか、過去10年間にどこにやってきたのかを見てみましょう。
LHCの物語は爽快で乱暴であり、最初の数日間の機器の巨大な磁石への壊滅的な損傷から、その悲劇からのフェニックスのような上昇まで、さまざまな出来事があり、その後、ヒッグス粒子。ピーターヒッグスとフランソワエングレートは、半世紀以上前に粒子を予測していたため、この発見によりノーベル賞が受賞しました。世界が素粒子物理学のニュースにきちんと従っていくのは珍しいことですが、ヒッグスの発見の発表は世界中でニュース放送を導きました。
新しい物理学を見つける
物理学者も席の端にいて、予想外の発見になることを期待して待っていました。半世紀近くの間、科学者たちは亜原子物質の振る舞いに関する現在の理論的理解を理解してきました。この理解は素粒子物理学の標準モデルと呼ばれています。
モデルは、通常の物質の分子と原子の観測された振る舞い、およびこれまでに観測された最小の既知のビルディングブロックさえも説明します。これらの粒子はクォークおよびレプトンと呼ばれ、クォークは原子の核を構成する陽子および中性子の内部にあり、電子は最も身近なレプトンです。標準モデルは、重力以外のすべての既知の力の動作も説明します。それは本当に並外れた科学的成果です。
ただし、標準モデルは理論物理学のすべてを説明しているわけではありません。クォークとレプトンが、世代と呼ばれる3つの異なるがほぼ同一の構成で存在するように見える理由を説明していません。 （なぜ3つなのか、なぜ2つなのか、4つなのか、1つなのか、それとも20なのか？）このモデルは、宇宙が完全に物質でできている理由を説明していません。同量の反物質。
標準モデルは、宇宙の研究が原子の通常の物質が宇宙の物質とエネルギーのほんの5パーセントを占めると示唆する理由を説明していません。残りは暗黒物質と暗黒エネルギーからなると考えられています。暗黒物質は重力のみを経験し、他の基本的な力はまったく経験しない物質の形ですが、暗黒エネルギーは宇宙に浸透する反発重力の形です。
LHCの最初の操作の前に、私のような物理学者は、原子粉砕機がこれらの不可解な質問に答えるのに役立つことを望んでいました。これらのパズルを説明するために最も一般的に引用される候補理論は、超対称性と呼ばれていました。それは、すべての既知の亜原子粒子が「スーパーパートナー」の対応粒子を持っていることを示唆しています。これらは、今度は暗黒物質の説明を提供し、他のいくつかの質問に答えることができます。しかし、物理学者は超対称性を観測していません。さらに、LHCデータは超対称性を組み込んだ最も単純な理論を除外しています。それで、LHCは何を成し遂げましたか？
LHCは多くのことをしました
まあ、ヒッグスボソンのことだけでなく、LHCは4つの大規模な実験的コラボレーションにデータを提供しており、2,000を超える科学論文が作成されています。 LHCの内部では、粒子は、LHCがその王冠を獲得するまで、四半世紀にわたって世界で最も強力な粒子加速器の称号を保持していたフェルミラボテバトロンによって達成されたエネルギーよりも6.5倍高いエネルギーで互いに粉砕されました。
標準モデルのこれらのテストは非常に重要でした。これらの測定値のいずれかが予測と一致しなかった可能性があり、それが発見につながりました。ただし、標準モデルは非常に優れた理論であり、以前のテバトロンのエネルギーレベルに対して行ったのと同じくらい正確にLHC衝突エネルギーを予測したことがわかりました。
それで、これは問題ですか？非常に現実的な意味では、答えはノーです。結局のところ、科学は正しいアイデアを検証することと同じくらい、間違った新しいアイデアをテストして拒否することです。
一方、科学者が以前には予測されていなかった現象を見つけるためにはるかに興奮していたことは否定できません。この種の発見は人間の知識を駆り立て、教科書の書き直しに至ります。
LHCの話はまだ終わっていません
んで、どうする？ LHCはその話を私たちに語り終えましたか？ほとんどありません。実際、研究者たちは、現在のテクノロジーでは対処できない問題を研究するのに役立つ機器の改善を楽しみにしています。 LHCは2018年12月初旬に2年間の改修とアップグレードのために閉鎖されました。 2021年の春にアクセルが動作を再開すると、エネルギーはわずかに増加しますが、1秒あたりの衝突回数は2倍になります。将来計画されるアップグレードを考慮に入れて、LHC科学者はこれまでのところ、予想されるデータのわずか3％しか記録していません。すべての調査結果をふるいにかけるには何年もかかるでしょうが、現在の計画では、これまでに得られたデータの約30倍のデータを記録する予定です。 LHCにはさらに多くのデータが含まれているため、まだ説明すべきことがたくさんあります。
それでも、LHCはおそらくさらに20年間機能しますが、「次は何ですか」と尋ねることも完全に合理的です。素粒子物理学者は、LHCに代わる後続の粒子加速器の構築を検討しています。 LHCの伝統に従って、1つの可能性は、驚異的なエネルギー-100兆電子ボルト（TeV）で陽子線を一緒に衝突させることになります。これは、LHCの最大能力である14 TeVよりはるかに大きいものです。しかし、それらのエネルギーを達成するには2つのことが必要になります。1つ目は、LHCの周りに粒子を押し出すものの2倍の強力な磁石を構築する必要があることです。これは難しいとは言え、達成可能です。第2に、LHCのように別のトンネルが必要ですが、球場の周囲は61マイル（100 km）で、LHCの約4倍です。
しかし、この大きなトンネルはどこに建設され、実際にはどのように見えますか？どのビームがどのエネルギーで衝突しますか？まあ、それらは良い質問です。設計と意思決定のプロセスでは、答えを得るのに十分ではありませんが、問題について考えている非常に大規模で実績のある物理学者のグループが2つあり、それぞれが新しい加速器の提案を生成しました。提案の1つは、主にヨーロッパの研究グループによって推進されており、ジュネーブのすぐ外のCERN研究所に設置されている可能性が高い、追加の加速器を建設することを想定しています。
あるアイデアの下では、電子ビームと反物質電子のビームが衝突する施設があります。電子と比較した加速陽子の違いにより、電子ビームは陽子ビームよりも円形構造の周りでより多くのエネルギーを失います-このビームは、長さ61マイルのトンネルを使用しますが、陽子の場合よりも低いエネルギーで動作します。別の提案では、同じ61マイル長の加速器を使用して陽子ビームを衝突させます。より控えめな提案では、現在のLHCトンネルを再利用しますが、強力な磁石を使用します。そのオプションは、LHCが現在できることよりも衝突エネルギーを2倍にするだけですが、これはより安価な代替手段です。中国の研究者によって主に支持されている別の提案は、おそらく中国で建設された、まったく新しい施設を想像している。この加速器も約61マイルの距離にあり、電子と反物質の電子が一緒に衝突してから、2040年頃に陽子-陽子衝突に切り替わります。
これらの2つの潜在的なプロジェクトは、まだ議論の段階にあります。結局、これらの提案をする科学者は、法案を踏み出そうとする政府または政府グループを見つけなければならないでしょう。しかし、それが起こる前に、科学者はこれらの新しい施設を可能にするために必要な能力と技術を決定する必要があります。両グループは最近、彼らのデザインに関する詳細なドキュメントをリリースしました。提案された施設を構築するだけでは十分ではありませんが、将来のラボの予測されるパフォーマンスを比較し、信頼できるコスト予測をまとめ始めるのに十分です。
知識のフロンティアを調査することは困難な作業であり、この規模の施設を建設するという最初の夢から、操業から施設の操業停止まで、何十年もかかる可能性があります。 LHCでの最初のビームの10周年を迎えるにあたり、施設が達成したことと未来がもたらすものを検討する価値があります。次世代の科学者が研究するためのエキサイティングなデータがあるように思えます。そして、たぶん、たぶん、たぶん、自然の魅力的な秘密をさらにいくつか学びます。
ドンリンカーンは、 フェルミラボ。彼は「大型ハドロン衝突型加速器：ヒッグスボソンと心を揺さぶるその他のものの並外れた物語（Johns Hopkins University Press、2014年）、彼は一連の科学教育を生み出しています ビデオ。彼に従います Facebookで。この解説で表明された意見は彼のものです。
Don Lincolnがこの記事をLive Scienceの エキスパートの声：Op-Ed＆Insights。
