| 特 | 集 | 論 | 文 | １ 科学・情報技術社会 |
１． はじめに
20世紀の驚異的発展は科学技術の急速な進歩によって可能となった｡ 物理学は科学技術の基礎となる新しい原理的な発見により本質的な貢献をした｡ Ｘ線の発見とその応用､ 超伝導の発見､ トランジスターの発明､ 原子力エネルギーの発見などがすぐ思い浮かぶ｡ このような発見は､ 極微の原子世界を支配している量子力学や光速に近い速さで動く粒子の運動を記述する相対性理論という､ 19世紀には想像もできなかった新しい基礎的概念の進歩があって初めて可能になったものである｡
素粒子とは物質を作っている基本粒子のことである｡ 素粒子の種類､ 特性や相互の反応を調べる学問を素粒子物理学という｡ そこでは､ 量子力学と相対性理論が同時に支配している極限の世界である｡ 素粒子という概念は歴史とともに当然変わってきたが､ 現在でもその探究は続いている｡
わが岐阜県は奥飛騨の神岡町にあるニュートリノ観測装置スーパーカミオカンデは５万トンの純水を使った世界最大の素粒子観測装置だが､ 昨年ニュートリノに質量があることを発見して､ 素粒子物理学関係者に衝撃を与えた｡ 素粒子物理学の研究は加速器という大型の装置を使って行うビッグサイエンスの一つである｡ スーパーカミオカンデの特徴は､ 高価な加速器を使わず自然現象の精密な解析を通して新しい発見を成し遂げたことにある｡ この手法は1950年代以前の宇宙線研究の手法にハイテクを導入したもので､ 21世紀における研究手法の先駆けをなすものと考えられる｡
素粒子物理学は､ 物理学の中でも特に基礎的なものである｡ 昨今若者の理科離れが心配されている｡ しかし､ 我々を作っている物質､ さらに宇宙の成り立ちを支配している基本法則を知りたいという願望はどうやら人間の深奥にある本能に訴えるらしく､ 素粒子物理学にチャレンジしようという研究志向の学生諸君は多く､ 大学院進学でも相変わらず人気がある｡
素粒子物理学は21世紀になにを目指すのだろうか｡ 科学の発展は予想外の展開をすることが多く､ 予知が大変難しい｡ しかし敢えていえば､ 素粒子物理学による宇宙研究の発展､ 素粒子物理学の社会への応用､ ということになろうか｡
以下に素粒子の発見､ 素粒子物理学の発展､ 素粒子的宇宙像､ 21世紀への期待､ という章を設けて議論を行っていく｡
２． 素粒子の発見
物質は小さなつぶつぶが集まったものだという原子論は､ すでに紀元前400年の昔ギリシャのデモクリトスが喝破した｡ しかし､ それはあくまで思弁によるものであって､ 証拠となる観測事実はなかった｡
17−18世紀､ 種々の元素の発見､ それに電気分解や気体の研究から原子の概念が確立し､ 1869年メンデレーエフの周期律表となって実を結んだ｡ 19世紀には原子が基本粒子すなわち素粒子だった｡
19世紀末の1897年電子が発見された｡ 原子の中に電子という粒子があるのだから､ 原子は素粒子でないことがはっきりした｡ 20世紀の発展を予感する電子の発見が現代の電子技術や情報通信の基礎となったのである｡ 原子は電気的に中性である｡ 電子は負の電気を持っているから､ 原子の中には正の電気を持ったなにかが存在するはずだ｡ 1911年､ ラザフォードは電子より何千倍も重いが大きさが原子の何千分の１しかない原子核を発見した｡ 原子核は正の電気を持っていた｡ もっとも軽い元素は水素であるが､ その原子核を陽子という｡ 1932年チャドウィックは陽子の仲間であるが電気的に中性な中性子を発見した｡ 原子核は陽子と中性子が集まった固まりで､ その周りを電子が回転している｡ 原子とはそういうものである｡ 電子､ 陽子､ 中性子が究極の素粒子である､ と皆思った｡
1911年ヘスは､ 宇宙から高エネルギーの粒子が地球に降り注いでいることを発見した｡ これを宇宙線という｡ 中性子が発見された1932年､ 正の電気を持った電子､ すなわち陽電子が宇宙線の中に発見された｡ 反物質の最初の発見である｡
1937年､ 電子と陽子の中間の重さを持つ粒子が発見された｡ そこで中間子と名前が付けられたが､ 現在はその粒子をミューオンとよぶ｡ 当時の科学者は ｢誰がこんな粒子を注文したんだ｣ といった｡ 予想外の発見だったのである｡ 最新の素粒子物理学でもこの答えはわかっていない｡
10年後の1947年､ 湯川秀樹が予言したパイ中間子が宇宙線の中に発見された｡ 同じ年､ Ｖ粒子と呼ばれる奇妙な粒子が宇宙線の中に発見された｡ ｢誰がこんな粒子を注文したんだ｣ という叫びがさらに真剣味を帯びた｡ 電子､ 陽子､ 中性子にこれらの新粒子を加えたものを素粒子と呼んだ｡ 素粒子の種類がどっと増えてしまった｡ 1956年には謎の素粒子ニュートリノがついに発見された｡
３． 素粒子物理学の発展
素粒子の数はもっと少ないはずだという素朴な疑問から､ 原子核のさらに深奥をのぞく研究がスタートした｡ そのための新しい道具が加速器である｡ 高エネルギーに加速した電子や陽子を標的にぶつけてその反応を詳しく調べる｡ パイ中間子､ Ｖ粒子の生成はもちろん陽電子や反陽子などの反物質も作られた｡
1964年､ 陽子､ 中性子､ パイ中間子､ Ｖ粒子はもっと基本的な粒子クォークからできているという仮説が立てられ､ その後20年以上にわたる研究でクォークの実在が確かめられた｡ 1994年に最後のクォークであるトップクォークが見つかったのは記憶に新しい｡
電子の研究も並行して行われた｡ 電子をいくら高エネルギーにしても電子は電子だった｡ つまり､ 電子はクォークと同じ仲間でもっとも基本的な粒子らしい｡
1967年､ クォークと電子､ ニュートリノ間に働く力を統一して説明する理論ができた｡ それはその後の基礎になる理論で､ 素粒子の標準理論と呼ばれる｡ その美しい理論は､ 加速器による実験結果を見事に説明することができる｡ 少なくとも10のマイナス16乗cmの極微の世界でも理論は破綻していない｡
標準理論によれば､ 物質を作っている素粒子は､ ２種類のクォーク (アップ､ ダウン型) と２種類のレプトン (電子､ 電子ニュートリノ) である｡ 電子ニュートリノは電気を持たず物質の中に存在しないが､ ビッグバン理論によると宇宙には電子の何億倍もある｡ たった４種類の素粒子で万物ができている､ 簡単ではないか｡
誰が注文したかわからないミューオンやＶ粒子はどうしたのだろうか｡ ミューオンは物質の中にもないし宇宙にもない｡ ただ瞬間的にできては消えていく｡ 現在までにわかった余分な素粒子は､ 上と同じように分類すると､ ２種類のクォーク (チャーム､ ストレンジ型)､ ２種類のレプトン (ミューオン､ ミューオンニュートリノ)､ さらに２種類のクォーク (トップ､ ボトム型)､ ２種類のレプトン (タウ､ タウニュートリノ) と､ 物質を作っている素粒子の２倍もある｡
４． 21世紀への予感
岐阜県神岡鉱山の地下1000メートルに５万トンの純水をたたえたスーパーカミオカンデ装置がある｡ ニュートリノが水と反応したときに出る微かなチェレンコフ光と呼ばれる光を測る装置である｡ 地球大気に入射した宇宙線は大気中の窒素や酸素と反応してパイ中間子を作る｡ 作られたパイ中間子はすぐに崩壊してミューオンとミューオンニュートリノになる｡ ミューオンはさらに崩壊して電子､ 電子ニュートリノとミューオンニュートリノになる｡ つまり､ できたニュートリノはミューオン型と電子型が２：１になっているはずだ｡ だが､ スーパーカミオカンデの観測結果はこの予想に従わず､ この比が1.2：１であって､ 約40％のミューオンニュートリノがどこかに行ってしまったことを示していた｡ ミューオンニュートリノの到来方向を調べてみると､ 地球の下から地球を突き抜けてくるミューオンニュートリノの数が半分に減っていることがわかった｡ つまり飛行距離の長いミューオンニュートリノが大きな影響を受けているのである｡ この観測結果はニュートリノ振動という新しい現象の証拠である｡ ニュートリノ振動はニュートリノの質量がゼロでは起きない｡ このような解析から､ 岐阜のスーパーカミオカンデ・グループは1998年､ ニュートリノの質量発見を発表したのである｡
上にも述べたように､ この発見は巨大加速器を使わず､ ｢自然を素直にみる｣ (有馬朗人文部大臣) ことによって成し遂げられた｡ 素粒子物理学は加速器の発明とその改良によって驚異的に発展した｡ 素粒子物理学の宿命は根源へ根源へと突き進まざるを得ないところにある｡ 根源の追求は加速器のエネルギー上昇によって達成される｡ 実際加速エネルギーは10年で６倍という係数で指数関数的に上昇してきた｡ これは加速器科学の偉大な成果であるが､ 加速器の建設コストもエネルギーとともに巨大化してきたことを忘れてはならない｡ 現在､ 次世代加速器の建設コストを一国の科学予算でまかなうことは困難で､ その実現には国際的な連携が必須となってきた｡ このような加速器の発展をみていると､ 恐竜の進化を思い出す｡ 巨大化へ向けての進化には必ず限界が存在する｡ それは21世紀に必ずやってくる｡
スーパーカミオカンデによる自然観察の手法は､ 自然には計り知れない能力がまだあるという仮定に基づいている｡ 宇宙が生まれたビッグバン時のエネルギースケールは加速器が決して到達できないほどの巨大なものに違いない｡ そしてその時代の痕跡が今の宇宙に残っているに違いない｡ この痕跡からさらなる素粒子物理学の秘密を暴こう､ というのが21世紀の素粒子物理学の少なくとも一つの柱になっているだろう｡
５． 素粒子的宇宙像
宇宙の法則を支配しているのは結局素粒子である､ と喝破したのは恩師の小柴昌俊である｡ この考えはいろいろな星をみるのでなく､ 宇宙全体をみることによってのみ初めてはっきりする｡ ここでは素粒子と宇宙の関わりを説明しよう｡
1915年､ アインシュタインはニュートンの万有引力を改良した新しい重力の理論､ すなわち一般相対性理論を完成させた｡ この理論から宇宙を一個の対象として扱えるようになった｡ しかし､ 理論は机上の空論であって､ 自然観察によってその正当さが検証されねばならない｡ それでは20世紀の宇宙観測を概観してみよう｡
アメリカの偉大な天文家ハッブルの名前は宇宙望遠鏡の名前としてよく知られている｡ 1929年､ 彼は遠方の銀河をたくさん観測して､ ハッブルの法則と呼ばれる規則を発見した｡ すなわち､ 宇宙は膨張していて､ 膨張のスピードは地球からの距離に比例して大きくなる｡ 比例係数をハッブル定数と呼んでいる｡ 時間の進み具合を逆転して考えると､ つまり過去にさかのぼると､ ハッブルの法則から宇宙は過去のある時点で１点に収縮してしまうことがわかる｡ つまり､ ハッブルの法則の意味するところは､ 宇宙の年齢は有限であってかつ１点から生まれたはずだ､ とういうことである！ 宇宙誕生の時間はおおよそハッブル定数の逆数で与えられるが､ 測定されたハッブル定数の値を使うと､ 約150億年前になる｡
1947年､ ガモフは､ 一般相対性理論の計算とハッブルの観測を合わせて､ 宇宙は大爆発 (ビッグバン) で始まったという理論を作った｡ 彼によれば､ 宇宙開闢とは､ 中性子星のような中性子の固まりの大爆発である｡ この瞬間は大変な高温で､ 宇宙全体は原子核物理学の法則が支配する世界である｡
その後､ 素粒子物理学の法則を適用すれば､ 中性子宇宙からクォーク宇宙へと､ さらにビッグバンの瞬間に近づけることがわかった｡ 1980年代になると､ ある初期条件で一撃を与えてビッグバンを起こさせれば､ 後は一般相対性理論と素粒子､ 原子核理論の法則が宇宙を現在のような姿に進化させた､ というビッグバン理論が完成した｡
その理論によると､ ビッグバンの影響が現在の宇宙にも残っているという｡ まず､ ビッグバンから10万年たった時点で宇宙の温度が3000度以下になり､ それまで電離していた水素が中性の水素原子になった｡ 電離水素と共存していた光はこの時点で宇宙に取り残された｡ この光は宇宙膨張とともに波長が長くなり､ 電波 (宇宙背景放射) として現在の宇宙に満ち満ちているはずである｡
ビッグバンからたった３分しか経っていない世界は10億度の超高温世界である｡ それまで活発に反応しあっていた陽子と中性子は集まってヘリウム原子核を作り始める｡ 宇宙にある物質全体を考えると､ 重さにして４分の３は水素､ 残りの４分の１はヘリウムで､ 他の元素はずっと微量のはずである｡
さらに時間を戻す｡ ビッグバンから１秒経過した世界は､ 電子､ 陽電子､ ニュートリノ､ 光が支配する世界である｡ これらの粒子は活発な素粒子反応を起こしていたが､ この時点で温度が100億度以下に下がったため､ ニュートリノが反応から脱落する｡ これらのニュートリノは宇宙膨張に従ってエネルギーが下がり､ 宇宙背景ニュートリノとして現在の宇宙を満たしていなければならない｡ もしニュートリノに質量があれば､ 宇宙にあるニュートリノの重量は巨大なものになり､ その万有引力によって宇宙の未来を左右しかねない｡
さらにビッグバンに近づくと､ あまりに高温のため陽子や中性子も溶けてクォークのプラズマになってしまう｡ まさに素粒子反応の支配する世界だが､ 素粒子理論の予言する重い粒子がこのあたりで生成され､ 現在の宇宙に漂っているはずである｡ これらの粒子は数は少ないけれど大変重いため､ ニュートリノ以上に宇宙の未来の鍵を握っている可能性がある｡
要するに､ 宇宙はニュートリノや重粒子など素粒子の支配する世界で､ 人間や地球､ 星を作っている原子は宇宙全体を見渡すと役立たずの少数派なのである｡
宇宙の観測はどこまでビッグバン理論の予言を検証したのだろうか｡ 1965年､ アメリカのペンジアスとウィルソンは波長が１くらいのマイクロ波が宇宙からきていることを発見した｡ これこそビッグバン理論が予言する宇宙背景放射だった｡ マイクロ波の波長分布から､ 現在の宇宙はマイナス270度の極低温まで冷え切っていることがわかった｡
1980年から90年代､ 宇宙にあるヘリウムの量が精度よく測定された｡ 重量にして約25％のヘリウム量というのは､ まさにビッグバン理論が予言する値である｡ すなわち､ 我々は宇宙誕生後３分までの確たる観測的証拠をつかんでいると考えてよい｡
宇宙背景ニュートリノはどうだろうか｡ 現在のところ技術的な困難もあって観測に成功していない｡ 重い素粒子も未発見である｡ しかし､ 宇宙には原子とは考えられない物質､ 光も電波も出さない暗黒物質が存在している｡ その正体は謎で､ ニュートリノなのか重い素粒子なのか､ 全く別物なのか､ 皆目見当がついていない｡
６． 21世紀への期待
物質の根源を探す素粒子物理学は21世紀になっても活発な研究が続くだろう｡ 若い学生諸君の興味を依然として引きつけているに違いない｡
しかし､ 研究は加速器実験から宇宙観測に重点が移っていくものと思われる｡ 素粒子研究を進めるにはさらにエネルギーの高い大加速器が必要になるが､ コストの面で限界が見え始めた｡ 加速器技術にコストダウンを含む画期的なブレイクスルーがあるかもしれないが､ 現在のところその兆候はない｡
スーパーカミオカンデによるニュートリノ質量の発見が示すように､ 最先端技術を使った自然現象の精密観測が大きなポテンシャルを持っている｡ いくつか例を挙げてみよう｡ (１) 太陽内部の核反応からでてくるニュートリノ (太陽ニュートリノ) の精密観測｡ ニュートリノ質量にさらなる情報を与える｡ (２) 超新星爆発由来のニュートリノ｡ 高温､ 超高密度における素粒子反応の情報と星の爆発の研究｡ (３) 宇宙背景ニュートリノの観測｡ ビッグバン後１秒の宇宙があったことの証明｡ 技術開発と新しい発想が必要｡ (４) 暗黒物質候補重粒子の探索｡ 重粒子の質量にもよるが､ その存在が確認されると､ ビッグバン後10のマイナス11乗秒の宇宙が存在した証拠になる！ (５) 10の20乗電子ボルトをこえる超高エネルギー宇宙線の精密観測｡ このような宇宙線の存在はすでに確認されているが､ その起源は謎である｡ ある理論家は､ これらの観測によってビッグバン後10のマイナス39乗秒の情報を得られるかもしれないという｡ ニュートリノやクォークなどの素粒子はこの時点で純粋なエネルギー状態からはじめて生成される｡ 素粒子になり損ねたエネルギーの固まりが必ず存在するはずで､ そのうちのほんの一部が現在まで生き残り､ 崩壊して素粒子に変わる｡ この素粒子が超高エネルギー宇宙線そのものである､ というのである｡ 夢あふれる研究ではないか｡
エネルギーと質量がE＝mc2で関係づけられているというアインシュタインの法則は､ 太陽エネルギーの起源を説明し､ 人類に原子エネルギーの解放という画期的な技術革新をもたらした｡ しかし､ 核分裂や核融合反応はもともとの質量のうち､ 0.1％をアインシュタインの式によってエネルギーに変えているにすぎない｡ 原子力エネルギーでさえ効率という面では大変低いのである｡
超新星爆発の放出エネルギーはすさまじい｡ 太陽エネルギーを46億年ため込んだとしよう｡ 超新星爆発のエネルギーはそれをさらに500倍したものに等しい｡ このエネルギー発生もアインシュタインの法則を使っているが､ 効率は原子力エネルギーの100倍､ 星の質量の10％をエネルギーに使っている｡
素粒子の研究から反物質が存在することがわかった｡ 物質と反物質をくっつけるとすべての質量をエネルギーに変えることができる｡ 効率は原子力エネルギーの1000倍である｡
21世紀､ このようなエネルギー源が可能になれば人類はいったいなにをするのだろうか｡
宇宙の果てまで旅をして戻ってきたい｡ そして旅先でのことを知人に話したい｡ これは誰もが抱く夢ではないだろうか｡ 相対性理論はこの夢が実現不可能だと教えてくれる｡ しかし､ 重力及び宇宙を記述する一般相対性理論は究極の理論ではない｡ 素粒子物理学を基礎としてその改良が多くの理論家によって行われている｡ 宇宙の果てへの往復旅行は本当に不可能なのだろうか｡ 21世紀の素粒子物理学に期待したい｡
■戸塚 洋二 (とつか・ようじ)
1942年生まれ｡ 1965年東京大学理学部物理学科卒業｡ 1972年同大学理学系研究科物理学専攻博士課程修了・理学博士｡ 東京大学理学部助手・助教授・教授を経て､ 1988年東京大学宇宙線研究所教授｡ 1995年同研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設長｡ 1997年東京大学宇宙線研究所長｡ 主著に ｢陽子はこわれるか｣ 丸善､ 1986､ ｢素粒子物理学｣ 岩波書店､ 1992､ ｢地底から宇宙をさぐる｣ 岩波書店､ 1995｡ 仁科賞 (1987年)､ 朝日賞 (1988､ 1999年)､ アメリカ天文学会ロッシ賞 (1989年)､ 井上学術賞 (1990年)､ ヨーロッパ物理学会特別賞 (1995年) など受賞歴多数｡
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