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2013年4月 1日 (月)

宇宙の謎に迫る研究は新段階へ。ヒッグスの次は暗黒物質!

素粒子とは、物質などをこれ以上分割できない限界まで細かくした最小単位の物質のことです。その中で万物の質量を生み出す働きをしているのがヒッグス粒子です。物理の基本ルールである標準理論にはクウォークや電子、光子など17種類の素粒子があるのですが、最後まで未発見だったのがヒッグス粒子だったのです。宇宙はヒッグス粒子が満ちたような状態で、その作用で素粒子が質量をもつのだそうです。こうした理論を1964年にピーター・ヒッグス博士とフランソワ・アングレール、ロベール・プロウト両博士がそれぞれ発表し、ヒッグス粒子は3人の名前から「プロウト・アングレール・ヒックス粒子」とも呼ばれ、「神の粒子」と表現されることもあるそうです。

 

そして今回ついに、万物の質量(重さ)の起源とされる素粒子「ヒッグス粒子」の発見がほぼ確定したそうです。これで宇宙の謎に迫る壮大な計画の最初の重要目標を達成したことになります。ただ研究はまだ序盤で、次の大きな謎が解明を待っているのです。これは欧州合同原子核研究機関が最新実験データの解析の結果を発表したもので、これは事実上の断定結果だそうです。巨大な加速器「大型ハドロン衝突型加速器」で高速に近い陽子同士をぶつけて、ヒッグス粒子の痕跡を探して分析した結果です。

 

実験は昨年12月にいったん終了したのですが、14年に再開するそうです。それは「ヒッグス粒子の背後にある新しい原理を見つけたい」からです。その大きなターゲットが素粒子にはそれぞれパートナーとなる別の粒子があると考える「超対称性理論」です。実は今回見つかったヒッグス粒子には謎があって、質量が軽いのだそうです。ヒッグス粒子自身にも重さがあり、エネルギーの単位に換算して約126ギガ電子ボルトという事が分かったのだそうですが、これでは素粒子物理学の基本である標準理論で計算した値に比べ何と17ケタも軽いのだそうです。

 

ヒッグス粒子かどうかを判断するための性質は標準原理と矛盾しないのですが、質量が軽すぎる点は説明できないのです。という事は同理論を超える新理論があるはずで、その有力候補が超対称性理論なのです。もしそうなら計算上、今回の質量に近くなるはずだという事です。ただ今回は、単純な同理論のモデルで計算した値よりやや重くなってしまうそうです。そのため従来考えられていたモデルより複雑な可能性があると言うのです。そのため次のLHC実験は同理論が想定する超対称性粒子の発見を大きな目標に掲げ、詳しく解析するそうです。こうした事は宇宙の謎ともかかわることで、宇宙全体のうち通常の物質はわずか5%程度しかなく、残りは正体不明の暗黒物質や暗黒エネルギーで、どちらも科学の最大級の謎となっています。そして超対称性粒子は暗黒物質の有力候補とされているのです。

 

そして宇宙の歴史の謎も課題となっています。宇宙の始まりは最近の研究で138億年と、今までより1億年古いとされました。宇宙誕生直後にインフレーションと呼ぶ急激な膨張と、それに続くビッグバンが起きたと考えられています。ビッグバンが起き、その直後にヒッグス粒子が満ちたような状態になり、100億分の一秒後に質量が発生し、38万年後には原子や分子ができ、9億年後には星や銀河ができて現在に至っています。インフレーションを起こしたのもヒッグス粒子で満ちたような状態になったのも、真空の性質ががらりと一変する「相転移」と呼ぶ現象が起き、エネルギーの状態が変化したためと考えられています。

 

インフレーション理論の提唱者である佐藤機構長は「今後は真空の構造がどうなっているのか、何がインフレーションを起こしたのかなどを解明しなければならない」と言っています。一般に真空とは何もない空っぽの空間を思い浮かべますが、何もないのだから構造もないはずですが、物理学では少し違うようで、いくら原子などを取り除いて真空にしたと思っても、そこには見えないエネルギーがあるのだそうです。従来は理論の話だったのですが、実際にヒッグス粒子が見つかったことで、真空中には粒子、言い換えるとその分のエネルギーが隠れていることがはっきりしたのです。しかも他にも何か潜んでいるかもしれないのです。

 

佐藤機構長は「真空が相転移を起こすという事が初めて実験的に確認されたのは大きな意義だ」と評価しています。現在の宇宙を加速度的に膨張させている謎の暗黒エネルギーも正体は真空に潜むエネルギーと見られています。人類はより深遠な謎に迫ろうとしています。こんな話を聞くと地球上で起きている出来事が小さく思えてきます。人間の想像力は無限でも、考えは小さなことでいがみ合っているのです。このギャップなんなのでしょう。

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