粒子ハンターは答えを探し続けるために一生を費やすことができる

ネイサン・ホワイトホーン氏は、あまり良い気分ではなかった。2012年、南極のアイスキューブ・ニュートリノ観測所のデータ解析で博士号を取得したばかりだった。遠方の銀河のガンマ線バーストからやってくるニュートリノ（質量がほとんどない、弱い相互作用をする基本粒子）を探していたが、見つからなかった。「すべてが常にゼロで、装置の電源を入れた瞬間からずっとゼロでした」と彼は回想する。「少し落ち込んでいました」

しかし、わずか数ヶ月後、彼の運は一変した。ウィスコンシン大学マディソン校のコンピューターが、ホワイトホーンと同僚のクラウディオ・コッパーが考案した高エネルギーニュートリノを探す新しい方法を用いて、数年分のアイスキューブのデータを処理し始めた時、ニュートリノ検出の可能性を知らせる警告が画面に表示され始めたのだ。

二人は廊下の向こうにいた同僚たちを急いで小さな会議室に集め、事態の推移を見守った。警報が鳴るたびに、研究者たちは信号が偽物でないことを確認するため、素早く確認作業を行った。「一つの事象の確認が終わると、また別の事象が現れるんです」とホワイトホーン氏は言う。「全く別の事象だったんです」

最終的に、カウントは28まで上がり、そこで停止した。彼らは、銀河系外から来たことが知られている最初の2つの高エネルギーニュートリノの検出（数ヶ月前に日本の同僚によって行われた）を確認し、さらに26個のニュートリノを発見した。

1週間も経たないうちに、若きポスドクはアイスキューブ共同研究チームのほとんどのメンバーに電話で研究結果を発表することになった。結果が確信に変わる前に口走るのは避けたかったため、チームは約1年間の秘密裏の確認作業を経て、ついに2013年11月下旬に全世界に発表した。

しかし、仕事はまだ終わっていなかった。アイスキューブの研究者たちは、ニュートリノが銀河系外から来ていることはわかっていた。しかし、何がニュートリノを生み出しているのか、そして正確な場所で作られているのかは分からなかった。もし銀河系外ニュートリノの発生源を特定できれば、宇宙への新たな窓が開かれることになるだろう。

残念ながら、それはなかなか解決できない問題だった。ホワイトホーンは苛立ち、2014年にアイスキューブを離れ、他のプロジェクトに取り組んだ。しかし、自ら選んだこの逃亡生活は長くは続かなかった。「ずっと気になって仕方がなかったので、戻ってきました」と彼は言う。

彼のタイミングは完璧だった。帰還から数週間後の2017年9月22日、アイスキューブはニュートリノを捕らえ、チームは後にその起源を突き止めた。それはブレーザーと呼ばれる、地球に向かってプラズマジェットを直撃させる超大質量ブラックホールの一種だった。2015年に初めて重力波を直接観測したことと相まって、このニュートリノは天文学の新時代を告げるものと思われた。もはや光のスペクトルだけを使って宇宙を観測する時代ではないのだ。

しかし、重力波天文学は着実に進歩を遂げており（時空のさざ波は2015年以降90回記録されている）、アイスキューブでは宇宙ニュートリノは依然として発見困難なままである。2017年のブレーザーニュートリノと同等の信頼度で報告された高エネルギーニュートリノ源は他にない。さらに巨大な検出器が建設されるまで、ニュートリノ探索は依然として困難な作業となるだろう。

IceCubeは、ビッグサイエンス、特に素粒子物理学が、今や世代単位の時間スケールで研究を進めることが多いことを示す好例です。IceCubeの構想から、実際にニュートリノセンサーを南極の1立方キロメートルの氷に掘削し、高エネルギーニュートリノ源を特定するまでには30年かかりました。その間、主要メンバーは退職、逝去、あるいはより即効性のある成果を得られるプロジェクトへと異動しました。ホワイトホーン氏の経験は例外であり、一般的ではありません。多くの科学者が、決して得られない成果を求めて何年も、何十年も、あるいはキャリア全体を費やしてきたのです。

ヒッグス粒子の発見には、銀河系外ニュートリノよりも長い時間がかかりました。世界最大かつ最高エネルギーの粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設に関する最初の議論から、2012年に粒子の発見が発表されるまで、36年かかりました。

当時83歳だったピーター・ヒッグスにとって、彼の名を冠した粒子の検出は、彼のキャリアにおける満足のいくエピローグでした。発表の間、彼は講堂で涙を流しました。1964年に彼と他の人々がヒッグス場とそれに関連する素粒子を初めて提唱してから、実に48年も経っていたのです。2012年にLHCのATLAS実験に博士課程の学生として参加していたクララ・ネリストにとって、それは物理学者としての人生の胸躍る始まりとなりました。

ネリストと友人は、発表の真夜中前に枕と毛布とポップコーンを持って会場に現れ、席を確保しようと講堂の外に陣取った。「フェスティバルではいつもそうしていたのよ」と彼女は言う。「だから、私のキャリアでおそらく最大の物理学の発表でもそうしないわけにはいかないわ」。彼女の決意は報われた。「『成功したと思う！』という言葉と会場の歓声を聞いた時は、本当に素晴らしい経験でした」

ヒッグス粒子は、宇宙の最小スケールにおける構成要素を最もよく説明するパズルの最後のピース、すなわち素粒子物理学の標準モデルでした。しかし、この説明が最終的な結論となるわけではありません。ニュートリノが質量を持つ理由や、宇宙に反物質よりも物質が多い理由を説明できません。重力も考慮されていません。さらに、宇宙の95%、つまり暗黒物質と暗黒エネルギーについては何も語っていないという小さな問題もあります。

「私たちは今、本当に興味深い時期にいます。なぜなら、LHC実験を始めた当初は、ヒッグス粒子を発見するか、完全に否定するかのどちらかになるだろうと分かっていたからです」とネリスト氏は語る。「今、多くの未解決の疑問が残っていますが、それでもなお、これらのステップを踏めば何かが見つかるという明確なロードマップは存在しないのです。」

ヒッグス粒子の発見から10年が経ち、LHCがこれらの根本的な疑問にもう答えられないかもしれないという可能性に、彼女はどう対処しているのだろうか？「私はとても現実的です」と彼女は言う。「少しもどかしいですが、実験物理学者としてはデータを信じています。ですから、分析を行って結果がゼロであれば、別の場所を探します。私たちはただ自然が与えてくれるものを測定しているだけなのですから。」

LHCは、こうした存在論的な問いへの答えを探している唯一の大規模科学施設ではありません。ADMXは、規模、資金、そして人員の面で、LHCのスタジアム・ロッカーズに比べればガレージ・バンドと言えるかもしれません。しかし、ADMXは、暗黒物質の有力候補である仮説上のアクシオン粒子の発見において、世界屈指の実験施設の一つでもあります。そしてLHCとは異なり、ADMXの研究者たちは、求めているものを見つけるための明確な道筋を示しています。

理論によれば、アクシオン（私たちの知らないうちに地球に降り注いでいる可能性がある）を発見する数少ない方法の一つは、強力な磁場を使うことだと示唆されている。この磁場はアクシオンを光子に変換するはずである。光子に変換された後、研究者たちは光の周波数を測定する。これはアクシオンの質量に直接関連する。

ADMXはまさにそれを目指しています。「これはまさに、より高機能なAMラジオです」と、ADMXの共同広報担当者であるジャンパオロ・カロシ氏は言います。もしアクシオンが存在し、装置が正確な波長に調整されていれば、その空洞が共鳴し、その信号を増幅して超高感度量子電子検出器で検出できるようになります。

「100秒ごとに、ある周波数に留まって、ラジオで電波が届かないときに聞こえるヒスノイズのようなノイズを拾います」とカロシ氏は言う。「それから周波数を少しだけ、1キロヘルツほど移動させて、また100秒ほど続けます。」

ADMXは1995年に初めて建設されましたが、アクシオンが暗黒物質粒子である可能性を探るのに必要な感度を最大限まで高めたのは2018年になってからでした。それ以来、研究者たちはゆっくりと周波数を調整してきました。現在の探索は2025年頃に完了する予定です。

アクシオン探索の最適化作業には終わりがなく、検出器にランダムに注入される偽の信号によってチームは緊張を強いられているが、7年間も雑音を聞かされる可能性があるという現実的な見通しがあっても、カロシ氏は作業を続けるために特別な動機はほとんど必要としない。

「アクシオンが現れたら嬉しいですが、もし他の場所で暗黒物質が見つかったり、アクシオンが候補から除外されたりしても構いません」と彼は言う。「私たちはすでに、いわばクールエイドを飲んでしまったようなものですから。」

カロシ、ホワイトホーン、ネリスト、そしてこれらの大規模科学プロジェクトに携わる何千人もの研究者たちは、名声や栄光を求めているわけではありません。ある理論が他の理論よりも優れていることを証明することに、特にこだわっているわけでもありません。彼らはただ基礎物理学と優れた機器の開発を愛し、次の果実が実る時、物理学の正しい枝の下に立っていることを願っているのです。