物質の不均衡:理論の限界に挑む

宇宙

We’re still in the dark about what 95 percent of our universe is made of ? and the standard model for understanding particle physics has hit a limit. What’s the next step forward? Particle physicist Alex Keshavarzi digs into the first results of the Muon g-2 experiment at Fermilab in Chicago, which found compelling evidence of new particles or forces existing in our universe ? a finding that could act as a window into the subatomic world and deepen our understanding of the fabric of reality.

宇宙の95%が何でできているかは、まだ謎です。また、素粒子物理学を理解するための標準モデルは限界に達しています。では、次のステップは?

素粒子物理学者のアレックス・ケシャヴァルツィは、シカゴのフェルミ研究所で行われたミュオンg-2 実験の最初の結果を詳しく調査し、私たちの宇宙に存在する新しい粒子またはパワーの説得力のある証拠を発見しました。

この発見は、亜原子の世界への窓として機能し、現実の構造についての理解を深める可能性があります。

タイトル 3 Mysteries of the Universe – and a New Force That Might Explain Them
宇宙の3つの謎。そしてそれらを説明するかもしれない新たな力
スピーカー アレックス・ケシャヴァルツィ
アップロード 2024/03/14

「宇宙の3つの謎。そしてそれらを説明するかもしれない新たな力(3 Mysteries of the Universe – and a New Force That Might Explain Them)」の文字起こし

So today, I’m really here to talk to you all about one thing: the universe. In the world of particle physics, the ultimate goal is to be able to describe all the particles and forces that make up our universe. And while we’ve made an extraordinary amount of progress in this over the past 100 years, we’re doing it still, because there are big mysteries about what the universe is made of and how we came to be here.

So let me start by introducing you to three of the big mysteries about our universe.

First, we know that the universe is expanding. So astrophysical evidence suggests that the universe started as a very dense, very hot Big Bang, and has since been expanding outwards from that point. However, as a complete shock, in the late ’90s, physicists discovered that the expansion of the universe isn’t slowing down, as you might expect — it’s actually accelerating, and we have absolutely no idea as to why this is.

All that we know is that some unknown source or force of nature is stretching the universe out in every direction, at an ever-increasing rate. And because we don’t know what that source is, we’ve just called it “dark energy.” Now, what we do know about dark energy is that it makes up roughly 74 percent of the energy content of our universe. So straight off the bat, that’s 74 percent of our universe that we know absolutely nothing about.

Second, we know that 85 percent of all the matter in our universe is made up of something called dark matter. Now, this photo that you’re looking at here is a picture from the Hubble Space Telescope, which shows a cluster of galaxies four billion light years away from the Earth. And what’s interesting here is the left and right parts of this photograph, because they’re actually the same photo.

But what you’re looking at in the right photo is that it’s had a blue filter applied to it, to emphasize the light that’s coming towards us from the distant universe. And what you can see is a dark ring, indicating a clearly reduced amount of light coming towards us. Now we believe that this ring is a halo of dark matter.

Now we have no idea what dark matter is, and we’ve never observed it in experiments here on Earth, but we know from several corroborating astrophysical observations that it has to be there. Importantly, another thing that we know about dark matter is that it makes up another 21 percent of the energy content of our universe. So that, coupled with the dark energy problem, means that we only know what five percent of our universe is made of, and the rest is totally dark to us.

The third problem concerns how we’ve come to exist at all. Now, fundamental particles of matter have their own antimatter particles, which are the same as their normal matter counterparts, except they have opposite positive or negative charge, just like the two ends of a normal, everyday battery. Now together, this charge is equal and balanced. The electron, for example, which we’re a bit more familiar with — it gives us electricity in our homes — is negatively charged.

But there’s an antimatter particle, called the positron, which is positively charged and has the same mass as the electron. Now, when matter and antimatter particles collide, they annihilate each other, producing a burst of energy in the form of light. Now, in the early universe, there should have been an equal amount of matter and antimatter created during the Big Bang. But today, as far as we can see, there’s almost no antimatter left in the universe.

So the question is, what happened to all the antimatter? And why did just a tiny bit of matter survive to form the universe that we see around us today? Now, these three problems are some of the biggest questions that we’re facing in science today, and there are countless researchers all over the world dedicating their lives to trying to solve them.

But what’s really exciting is that particle physics research isn’t just about trying to solve these mysteries, it’s about trying to push the boundaries of what we know about our universe, to try and answer some of these questions that we’ve been asking for hundreds, if not thousands, of years.

And we do this by smashing particles together in particle accelerators, like the Large Hadron Collider at CERN in Geneva, Switzerland. This is the largest and most powerful particle accelerator ever built by human beings, and it smashes together particles at incredibly high energies, and we study the results to try and understand what our universe is made of at the most fundamental level.

So while we still have a long way to go before we can claim to understand everything about our universe, the journey of discovery is ongoing, and the mysteries that we’re uncovering are more fascinating than ever before.

But it has an antimatter partner called the positron, which is positively charged. Now to ensure this balance, matter and antimatter are always created and destroyed equally and in pairs. This is what all of our theories predict, and this is what we observe in all of our experiments. And so in the Big Bang, we would have expected that matter and antimatter would have been created in equal amounts, and so we would expect to see equal amounts of matter and antimatter in the universe today.

However, nearly every structure of matter, every natural structure of matter in our universe — you, me, the Earth, the stars — are made almost entirely of normal matter, leaving a lot of antimatter missing from the balanced equation. For all you Marvel and Avengers fans out there, it’s a bit like someone’s just snapped their fingers, and half of all the natural stuff in the universe has disappeared. There literally should be another universe’s worth of stuff all around us, but somehow, it’s not there.

And one of the greatest challenges in particle physics today is to figure out what happened to all the antimatter and why we see an asymmetry between matter and antimatter at all.

So those are three of the big mysteries about our universe. And that’s a lot of what we don’t know.

Now, what this means is our current understanding of the universe, up until this point, can’t tell us why the universe is the way it is, or what 95 percent of it is made of. But importantly, each of these mysteries — what is dark energy, what is dark matter and the matter-antimatter asymmetry in the universe — could all be solved by finding a new particle or a new force of nature.

So now, let me introduce you to our current understanding of the universe. This is it. The standard model of particle physics, the mathematical equation, which I’m sure you’re all very used to.

Which describes how our universe works. You can think of it as the recipe for how all the particles and forces in the universe interact and result in the structures of matter that we see around us.

Now this equation represents a huge level of achievement over the past 100 years, and in its full form, it’s much longer, but simplified, like this, you see a very elegant, I think, elegant representation of the structure of matter.

And then, if that equation is the recipe, then these are the ingredients. Just 17 ingredients, 17 fundamental particles, where “fundamental” here means they’re not known to have a substructure, they’re not known to be composed of any smaller particles. And together with the equation on the previous slide, they make up the standard model of particle physics. And it is our best, most tested and globally accepted theory of all the known particles and forces in the universe. And it’s given rise to much of what we take for granted in the modern world of today.

A good example would be our ability now to harness the energy from the Sun, where our ability to use solar power and our moves towards nuclear fusion couldn’t be possible without understanding the particles and forces of the standard model.

Now, whilst the standard model has been so successful at testing the phenomena that we can test here on Earth, it cannot accommodate and has no explanation for those big mysteries about our universe. And so it’s at this point that I’d like to introduce you to a particular particle, and the hero of our story, the muon.

Now, muons may seem unfamiliar to you all, but actually, they’re around us all the time. Cosmic rays that hit the Earth’s atmosphere result in showers of muons that constantly bombard the Earth. You may be surprised to learn, for example, that there are, on average, 30 muons traveling through each and every one of you every second.

Now, muons can be thought of, quite simply, as the heavy cousin of the electron, and they sit next to the electron in this picture, and they’re about 200 times heavier. But importantly, they’re an ideal tool for physicists to use to search and look for new particles and forces to explain those big mysteries.

And so why is that?

Well, let’s assume for a second that we can represent a muon by this gyroscope. When you spin a gyroscope, it wobbles around its axis, just like that. And muons have an identical behavior when you place them in a magnetic field, they spin and they wobble. Now whilst they’re doing this, the muon will come into contact with any and all other particles in the universe, standard model or otherwise. And in fact, it’s the interaction of the muon with those other particles that defines how fast it wobbles.

In essence, the more different particles that bounce off the muon whilst it is wobbling, the faster it will wobble. And so then this is what we want to measure — how fast muons wobble in a magnetic field due to their interaction with all the particles and forces in the universe.

Now so far, no new particle or force outside of the standard model that could explain those big mysteries about our universe has ever been discovered. But the point to reemphasize is that the rate or the speed by which muons wobble when we place them in a magnetic field is directly defined by all the particles and forces in the universe that it comes into contact with.

And so, if we can measure very precisely how fast they wobble, we can then compare that to the theoretical prediction of how fast they should wobble from just the particles and forces of the standard model. And then, if the measurement was found to be different and larger and disagree, then it would be an indication of new particles or forces outside of the standard model that could explain those big mysteries about our universe.

An experiment I work on has done just that. This is the Muon g-2 experiment located at Fermilab, on the outskirts of Chicago. This ring, which you can see here, is about 20 meters in diameter, and it’s what’s called a storage ring magnet. It’s a ring in which we store muons inside a magnetic field, which causes them to wobble.

We then make our measurements of how fast they wobble and compare that to the theory. Now, this experiment released its first result in April of 2021, and the take-home message of this talk is that the result I am presenting to you here today, from the Muon g-2 experiment, is the closest glimpse that we’ve had to seeing a new particle or force here in a laboratory on Earth.

And this is that result here. So let me take some time to explain to you what this graph is showing. On the x-axis are the values for how fast muons wobble when we place them in a magnetic field. The green marker on the left is the theoretical prediction for how fast they wobble, from just the particles of the standard model, and the green band defines the uncertainty on that prediction. The orange marker on the right is the new experimental measurement from the Fermilab Muon g-2 experiment, and the orange band defines the uncertainty on that measurement.

And by uncertainty, I mean we’re statistically certain that both the prediction and the measurement, the value for each should be inside their respective bands. And what you can see is not only do those bands not overlap, but they differ by quite a large amount, that white gap in the middle indicating a clear disagreement between the two values. What this means is that when muons are placed in a magnetic field, they wobble faster than what the theory predicts.

So all the known particles and forces of the standard model have failed to predict how fast muons have wobbled. And what does this suggest? Well, it suggests that there are new particles or forces that aren’t part of that globally accepted theory interacting with the muons and causing them to wobble faster. Now, a reason why physicists are so excited about this result is that the chance that this result is a fluke, statistically, is one in 40,000.

So that’s the same as saying that there’s a 99.9975 percent chance that we’ve seen the influence of a new particle or force here, in a laboratory on Earth. But a word of caution.

Physicists actually set a much stricter threshold by which they can claim a discovery, and that is the chance the result is a fluke cannot be more than one in 3.5 million. And so we haven’t reached that discovery threshold yet, and so we can’t definitively say that we’ve seen the influence of a new particle or force. And the reality is that, to reach the one-in-3.5-million threshold, there’s a lot of work to be done. But that work is being done right now and will continue to be done over the coming years.

So what does this all mean? Well, first, any result from the Muon g-2 experiment, even a result that says there were no new particles or forces, would be a good result. That is science, right? Sometimes, it’s not discovering new things, sometimes, it’s just confirming old things. And even if that were the case, the by-products of particle physics experiments have been advancing human civilization for much of the past 100 years. Modern electronics, the internet, satellite navigation — these are all by-products of particle physics experiments or endeavors. And there’s no telling what experiments like the Muon g-2 experiment could do for us in the future.

But if that were the case, and we found no new particle or force, then we wouldn’t be able to explain those big mysteries about our universe — what is dark energy, what is dark matter, and where did all the antimatter go? Whatever the outcome, the Muon g-2 experiment will keep releasing results, in the next few years, that will continue to test our understanding of the fabric of reality.

I, for one, am really excited about it, and I really hope you stay tuned with us to find out if we’ve definitively discovered a new particle or force, for the first time. Thank you very much.

「宇宙の3つの謎。そしてそれらを説明するかもしれない新たな力(3 Mysteries of the Universe – and a New Force That Might Explain Them)」の和訳

今日は、皆さんに一つのことについて本当に話したいと思います:宇宙についてです。素粒子物理学の世界では、私たちの宇宙を構成するすべての粒子と力を説明することが究極の目標です。そして、過去100年間でこの分野で驚くべき進歩を遂げてきましたが、まだ解き明かすべき大きな謎が残っています。宇宙が何でできているか、そして私たちがここにいる理由についてです。

それでは、私たちの宇宙に関する3つの大きな謎を紹介しましょう。

まず、宇宙が拡大していることがわかっています。天体物理学の証拠から、宇宙は非常に密度の高い、非常に熱いビッグバンから始まり、その後、その点から外側に向かって拡大し続けています。しかし、90年代後半に、物理学者たちは、宇宙の拡大が遅くなると予想されるように減速していないことを完全に驚愕して発見しました。実際、宇宙の拡大は加速しており、その理由は全くわかりません。

私たちが知っているのは、何らかの未知の源や自然の力が、宇宙をあらゆる方向に、ますます速い速度で広げているということです。そして、その源が何であるかわからないので、私たちはそれを単に「暗黒エネルギー」と呼んでいます。暗黒エネルギーについてわかっていることは、それが私たちの宇宙のエネルギー内容の約74%を占めているということです。ですから、まったく私たちが何も知らない宇宙の74%です。

次に、宇宙のすべての物質の85%が何らかの暗黒物質でできていることがわかっています。地球から40億光年離れた場所にある銀河の集団を示しています。写真の右と左の部分に興味があります。実際には同じ写真なのです。

右の写真で見ているのは、遠い宇宙から私たちに向かってくる光を強調するために青いフィルターが適用されています。そして、私たちに向かってくる光の量が明らかに減少していることを示す暗い輪が見えます。私たちはこの輪が暗黒物質の光のハローであると信じています。

暗黒物質については何もわかっていませんし、地球上の実験で観測したこともありませんが、何度も確認された天体物理学的な観測から、それが存在しなければならないことがわかっています。暗黒物質についてもう1つ知っていることは、それが私たちの宇宙のエネルギー内容のさらなる21%を占めているということです。ですから、暗黒エネルギー問題と組み合わせると、私たちの宇宙のわかっているものは5%だけで、残りは完全に私たちにとって暗闇です。

第三の問題は、私たちがなぜ存在しているのかということです。基本的な物質粒子にはそれぞれ対応する反物質粒子があります。これは通常の物質の対応品と同じですが、正負の電荷が逆です。今、私たちが少し馴染みのある電子は、家庭の電気を供給してくれることからもわかりますが、電子は負の電荷を持っています。

しかし、陽電子と呼ばれる反物質粒子もあり、正の電荷を持ち、電子と同じ質量です

ですから、問題は、反物質はどこへ行ったのか?そして、なぜごくわずかな物質だけが残って、私たちが今目の前に見ている宇宙を形成するために生き残ったのか?今日、これらの3つの問題は科学界で直面している最も大きな問題のいくつかであり、世界中の無数の研究者がこれらを解決しようとして生涯を捧げています。

しかし、本当に興奮するのは、素粒子物理学の研究がこれらの謎を解こうとするだけでなく、私たちの宇宙についての知識の境界を押し広げ、何百、何千年もの間質問してきたこれらの問いのいくつかに答えようとすることです。

そして、私たちは、ジュネーブのCERNにある大型ハドロン衝突型加速器などの加速器で粒子同士を衝突させることでこれを行います。これは人類が建設した最大で最も強力な加速器であり、非常に高いエネルギーで粒子同士を衝突させ、その結果を研究して、私たちの宇宙が根本的なレベルで何でできているかを理解しようとします。

ですから、私たちが宇宙についてすべてを理解したと主張できるまでにはまだ長い道のりがありますが、発見の旅は続いており、私たちが明らかにしている謎はこれまで以上に魅力的です。

しかし、その反物質の相手は陽電子と呼ばれ、正の電荷を持っています。バランスを保つために、物質と反物質は常に等しくペアで作られ、破壊されます。これが私たちのすべての理論が予測することであり、これが私たちのすべての実験で観察されることです。したがって、ビッグバンでは、物質と反物質が等しい量で作られると予想され、したがって、宇宙の中に等しい量の物質と反物質が見られることが期待されます。

しかし、ほとんどすべての物質の構造、私たちの宇宙のほぼすべての自然な物質—あなた、私、地球、星—はほとんどが通常の物質でできており、バランスの取れた方程式から反物質が大量に欠けています。MarvelやAvengersのファンの皆さんにとって、ちょうど誰かが指を鳴らしたかのように、宇宙のすべての自然なものの半分が消えてしまったようなものです。文字通り私たちの周りにはもう1つの宇宙分の物質があるはずですが、どういうわけかそこにはありません。

そして、現在の素粒子物理学の最大の課題の1つは、すべての反物質がどこに行ったのか、そしてなぜ物質と反物質の間に不均衡が見られるのかを解明することです。

これが私たちの宇宙に関する3つの大きな謎です。そして、それが私たちが知らないことの多くです。

今、これは私たちの現在の宇宙の理解です。これです。素粒子物理学の標準モデル、おなじみの数学の式ですね。

宇宙の仕組みを説明するものです。これは、宇宙のすべての粒子や力がどのように相互作用し、私たちの周りに見られる物質の構造を生み出すかのレシピと考えることができます。

この方程式は、過去100年間の膨大な成果を表しており、完全な形ではもっと長くなりますが、単純化されると、非常に優雅な物質の構造の表現が見られます。

そして、もしこの方程式がレシピであれば、これらはその材料です。たった17の材料、17の基本粒子です。ここでの「基本」とは、彼らが構造を持つとは知られていない、より小さな粒子で構成されていないことを意味します。そして、前のスライドの方程式と共に、これらが素粒子物理学の標準模型を構成します。これは、宇宙のすべての既知の粒子と力の最良で最も試験され、世界的に受け入れられている理論です。そして、これは今日の現代世界で当たり前とされている多くのものを生み出しました。

良い例は、今日の太陽エネルギーを利用する能力です。太陽光エネルギーを利用し、核融合に向けて進むことができるのは、標準模型の粒子と力を理解していなければ不可能ではありません。

標準模型は、地球上で試験できる現象を試験することに非常に成功してきましたが、私たちの宇宙の大きな謎には適応できず、説明できません。そして、ここで私が特定の粒子と、私たちの物語のヒーローであるミューオンを紹介したいと思います。

ミューオンは皆さんには馴染みがないかもしれませんが、実際には常に私たちの周りにいます。地球の大気に当たる宇宙線は、地球に絶えずミューオンの雨をもたらします。例えば、平均して、あなた一人当たり毎秒30のミューオンが通過していることに驚くかもしれません。

ミューオンは単純に言えば、電子の重いいところにいるいところと考えることができます。そして、彼らはこの図で電子の隣に座っており、約200倍重いです。しかし重要なことは、彼らが物理学者が新しい粒子や力を探し求め、大きな謎を説明するために使用する理想的なツールであるということです。

それはなぜでしょうか?

ちょっと考えてみましょう。このジャイロスコープでミューオンを表現できると仮定しましょう。ジャイロスコープを回転させると、その軸の周りでブレますね。そして、ミューオンも同じように振動します。磁場に置くと、ミューオンは回転し、ブレます。これが、ミューオンが磁場中で回転している間に、宇宙のすべての他の粒子と接触するということです。宇宙のすべての他の粒子との相互作用によって、ミューオンがどれだけ速くブレるかが定義されます。

要するに、ミューオンがブレながら他の粒子と接触する回数が多いほど、ミューオンはより速くブレるでしょう。そして、これが私たちが測定したいことです――宇宙のすべての粒子や力との相互作用によって、磁場中でミューオンがどれだけ速くブレるかを測定したいのです。

今のところ、標準模型外の新しい粒子や力は、私たちの宇宙の大きな謎を説明できるものは一つも発見されていません。しかし、強調したいのは、ミューオンを磁場に置いたときに彼らがどれだけ速くブレるかは、それが接触する宇宙のすべての粒子や力に直接よって定義されるということです。

したがって、非常に正確に彼らがどれだけ速くブレるかを測定できれば、それを標準模型の粒子や力だけからの理論的予測と比較できます。そして、測定が異なり、大きく異なる場合、そして一致しない場合、それは標準模型外の新しい粒子や力の兆候となり、それらの大きな謎を説明できる可能性があります。

私が取り組んでいる実験がまさにそうです。これが、シカゴの郊外に位置するファーミラボのミューオンg-2実験です。こちらに見えるこのリングは、直径約20メートルで、貯蔵リングマグネットと呼ばれます。これは、ミューオンを磁場内に貯蔵し、それらをブレさせるためのリングです。

次に、彼らがどれだけ早くぶれるかを測定し、それを理論と比較します。この実験は2021年4月に最初の結果を発表しました。そして、今日ここで皆さんに提示している結果、フェルミ研究所のミュオン g-2 実験からの結果は、地球上の実験室で新しい粒子や力を見る最も近い一端です。

それがこの結果です。このグラフが何を示しているかを説明するために、少し時間を取らせてください。x軸には、磁場に置かれたミュオンがどれだけ速くぶれるかの値が表示されています。左側の緑色のマーカーは、標準モデルの粒子からのみの予測によるミュオンのぶれる速さの理論的予測であり、緑の帯はその予測の不確かさを定義しています。右側のオレンジのマーカーは、フェルミ研究所のミュオン g-2 実験からの新しい実験的測定値であり、オレンジの帯はその測定値の不確かさを定義しています。

そして、不確かさとは、統計的に、各予測と測定値の値がそれぞれの帯の内側にあるということです。そして、それらの帯が重なっていないだけでなく、中央の白い隙間があり、その2つの値の間に明確な不一致があることがわかります。これは、ミュオンが磁場に置かれたとき、理論が予測するよりも速くぶれることを意味します。

つまり、標準モデルのすべての既知の粒子と力は、ミュオンがどれだけ速くぶれるかを予測できなかったということです。そして、これは何を示唆していますか?それは、標準モデルに含まれない新しい粒子や力が、ミュオンと相互作用して彼らをより速くぶらせている可能性があるということを示唆しています。物理学者たちがこの結果に興奮している理由の1つは、統計的に、この結果が偶然である可能性は4万分の1だということです。

つまり、地球上の実験室で新しい粒子や力の影響を見た確率は99.9975パーセントであるということです。ただし、注意が必要です。

実際、物理学者たちは発見を主張するための厳しい閾値を設定しており、その結果が偶然である可能性が350万分の1を超えてはなりません。したがって、まだその発見の閾値に達しておらず、新しい粒子や力の影響を明確に見たとは断言できません。そして、350万分の1の閾値に到達するには、多くの作業が必要です。しかし、その作業は現在進行中であり、今後数年間続けられます。

では、これがすべてどういう意味なのでしょうか?まず第一に、ミュオン g-2 実験からのどんな結果であれ、新しい粒子や力がないという結果であっても、それは良い結果であるでしょう。それが科学ですね。時には新しいものを発見するのではなく、古いものを確認することもあります。そして、たとえそうであっても、粒子物理学実験や事業の副産物は、過去100年間にわたって人類の文明を前進させてきました。モダンな電子機器、インターネット、衛星ナビゲーション──これらはすべて、粒子物理学の実験や取り組みの副産物です。そして、ミュオン g-2 実験のような実験が将来私たちに何をもたらすかはわかりません。

しかし、もしもそうだとして、新しい粒子や力が見つからない場合、我々は宇宙の大きな謎──暗黒エネルギー、暗黒物質、そしてどこへ行ったかすべての反物質──を説明することができなくなります。どのような結果であれ、ミュオン g-2 実験は現実の構造に対する私たちの理解を続けてテストする結果を今後数年間発表し続けるでしょう。

私自身、それに本当に興奮していますし、初めて新しい粒子や力を明確に発見したかどうかを確かめるために、皆さんもぜひ私たちとともにお見逃しなく。ありがとうございました。

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