大型ハドロン衝突型加速器を乗っ取る男 – スイッチを切るためだけに |ケルン

Mケンブリッジ大学の実験素粒子物理学の教授であるアーク・トムソンは、世界科学の分野で最も切望されている仕事の1つを手に入れました。しかし、ある角度から見ると、彼がチームのためにゴールを決めたかどうか疑問に思わずにはいられない。

1月1日、トムソンはジュネーブ郊外にある複数のノーベル賞受賞歴のある核物理学研究所ケルンの所長に就任する。ここ、地中深くに、これまでに建設された最大の科学機器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) が、ビッグバン後のマイクロ秒後に存在した状態を再現します。

この機械は、神秘的なヒッグス粒子を発見したことで歴史に名を残しました。ヒッグス粒子に付随する磁場は、宇宙を一種の宇宙接着剤に変えます。しかし、トムソン氏が最初に行うことの 1 つは、エンジニアリング作業のためにマシンの電源を切ることです。同氏の任期がほぼ終了するまで再開されない。

キャベンディッシュ研究所の 1 階のオフィスで、70 年以上前にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがケンブリッジで発見した DNA 二重らせんの模型の前で、トムソン氏は閉鎖に対して少しも落ち込んでいない。むしろ、彼は今後5年間のことを楽しんでいる。

「マシンは見事に動作しており、膨大な量のデータを記録しています」と彼は言います。 「期間中には分析すべきことがたくさんあるだろう。物理学の結果は今後も出てくるだろう。」

トムソンの経歴は学問とは程遠い。ウェストサセックス州ワーシングの総合学校に通い、10代前半にサーンで科学に関する人気の本を読んで初めて物理学の味を知った。 「それが私の方向性を決めてくれたような気がします」と彼は言う。 「宇宙がどのように機能しているのかを理解したかったのです。」彼は家族の中で初めて大学に進学し、オックスフォードで物理学を読みました。

LHC は、フランスとスイスの田園地帯の下にある長さ 27 km (16 マイル) のリング内で、水素原子の核である陽子を光速に近い速度まで加速します。リングの周囲の 4 つのポイントで、一方向に飛び出す陽子が、他の方向に向けて誘導され、そこに向かって突進します。衝突時のエネルギーにより新しい粒子のシャワーが発生し、LHC の検出器によって記録されます。アインシュタインの独創的な方程式 E=mc に沿って²、より多くのエネルギーはより大きな粒子を生成します。

6月からの停止により、高輝度LHCに道が開けられる。これは、衝突型加速器の陽子ビームを絞って明るくするための強力な新しい超電導磁石の設置を含む大規模なアップグレードである。これにより、マシン内の衝突回数が 10 倍に増加します。検出器も強化されており、新しい物理衝突が明らかにする可能性のある微妙な兆候をよりよく捕捉できるようになりました。 「これは信じられないほどエキサイティングなプロジェクトです」とトムソン氏は言います。 「ただここに座って機械を動かし続けるよりも、ずっと面白いです。」

このアップグレードが機能すれば、LHCは粒子とその相互作用をより正確に測定できるようになり、それによって明日の理論の基礎となる今日の理論の亀裂を発見できる可能性がある。ヒッグス粒子をめぐる謎がもう 1 つ残っています。素粒子はヒッグス粒子から質量を増加しますが、なぜ質量が変化するのかは誰にもわかりません。ヒッグス粒子がどのように相互作用するのかさえ明らかではない。 「まったく予期せぬものを見ることができました」とトムソン氏は言う。

高光度 LHC を立ち上げて稼働させることが、トムソン氏の 5 年間の任期の大半を占めることになる。しかし、より大規模で物議を醸すプロジェクトにも彼の注意が必要です。 LHC は 2041 年頃に寿命を迎えるため、ケルン加盟国は次に何を行うかを決定する必要があります。最有力候補は、Future Circular Collider (FCC) と呼ばれる巨大なマシンです。

Cernの実現可能性報告書によると、FCCはLHCの3倍以上の規模となり、地下400メートルまで新たに91kmの円形トンネルを掘削する必要があるという。マシンは 2 段階で構築されます。 1つ目は2040年代後半に始まり、電子を反物質のパートナーである陽電子に衝突させる。 2070年代のある時点で、その機械は、LHCの7倍のエネルギーで陽子を衝突させる新しい衝突型加速器に道を譲るために取り壊されることになる。第1段階の費用は推定150億スイスフランまたは140億ポンドとなる。

エンジニアリングだけでも野心的ですが、FCC はより広範な課題に直面しています。 2028年にこのプロジェクトについて投票する予定のCern加盟国は、法案の全額を賄うことができないため、他の貢献者が必要となる。その一方で、新しい発見をするのに最適なマシンであるかどうかについての議論がささやかれています。銀河の周りに固まっている暗黒物質とは何なのか、物理学における大きな疑問に答えられる保証はありません。宇宙を引き裂く暗黒エネルギーとは何ですか？なぜ重力はこんなに弱いのか。そして、宇宙が形成されたとき、なぜ物質が反物質に勝ったのでしょうか?狙うべき明確な賞がないため、トムソンの仕事はさらに困難になるだろう。

しかし、Cern には常に科学以上のものがありました。この研究室のおかげで、ヨーロッパは素粒子物理学の世界のリーダーとなり、数万人の研究者を惹きつけ、新しい技術の必要性を推進しています。しかし、他の国、特に米国と中国は、先進的な衝突型加速器に関する独自の計画を持っています。 Cern がその卓越性を維持できるかどうかは、LHC の後継者にかかっています。

「私たちは発見をやめるという段階にはまだ達しておらず、FCC は自然な流れです。私たちの目標は、宇宙を最も基本的なレベルで理解することです」とトムソン氏は言います。 「そして、今は決して諦めるときではありません。」