素粒子物理学に3度衝撃を与えた女性

1963年、マリア・ゲッパート・マイヤーは原子核の層状で殻のような構造を解明した功績によりノーベル物理学賞を受賞しました。それ以来、女性は受賞していません。

55年間の歳月の中で、もし別の世界であれば物理学賞を受賞していたかもしれない多くの女性のうちの一人が、サウ・ラン・ウーです。ウーはウィスコンシン大学マディソン校のエンリコ・フェルミ物理学特別教授であり、ジュネーブ近郊にある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を有する欧州原子核研究機構（CERN）の実験者でもあります。ウーの名は高エネルギー物理学の1,000本以上の論文に登場し、過去50年間で、この分野で最も重要な実験の6つに貢献してきました。彼女は、若い研究者時代に自らに設定した、少なくとも3つの大発見をするという実現不可能な目標さえも実現しました。

ウー氏は、現在チャームと呼ばれている第4の種類のクォークの存在を告げるJ/psi粒子を観測した2つのグループのうちの1つの主要メンバーでした。1974年のこの発見は、11月革命として知られ、素粒子物理学の標準モデルの確立につながったクーデターでした。1970年代後半、ウー氏は、粒子衝突から飛び出す3つのエネルギー「ジェット」を識別するための計算と分析の大部分を行いました。このジェットは、陽子と中性子を結合させる強い力を媒介する粒子であるグルーオンの存在を示しています。これは、科学者が光子を電磁気のキャリアとして認識して以来、力を伝達する粒子の最初の観測でした。ウー氏はその後、大型ハドロン衝突型加速器での2つの共同研究のうちの1つであるATLAS実験のグループリーダーの1人となり、2012年にヒッグス粒子を発見して標準モデルの最後のピースを埋めました。彼女は、標準モデルを超越し物理学を前進させる新しい粒子の探索を続けています。

呉秀蘭（ウー・サウラン）は第二次世界大戦中、占領下の香港で生まれました。彼女の母は裕福な実業家の6番目の妾でしたが、幼い頃に実業家は彼女と弟を捨てました。彼女は極貧の中で育ち、米屋の裏で一人寝泊まりしていました。母は読み書きができませんでしたが、娘に教育を受け、気まぐれな男たちから自立するよう強く勧めました。

ウーさんは香港の公立学校を卒業し、アメリカの50大学に出願しました。ヴァッサー大学への奨学金を獲得し、40ドルの資金で入学しました。

当初は芸術家を目指していましたが、マリー・キュリーの伝記を読んで物理学を学ぶことを決意しました。ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所で夏休みなく実験を行い、ハーバード大学大学院に進学しました。同期の中で唯一の女性だった彼女は、男子寮に入って研究グループに参加することを禁じられていました。それ以来、彼女は物理学のあらゆる分野に居場所を作るために尽力し、60人以上の男女を博士課程まで指導してきました。

6月初旬、 Quanta Magazineは、太陽が降り注ぐクリーブランドの灰色のソファで、サウ・ラン・ウー氏にインタビューを行いました。彼女は、標準模型50周年を記念するシンポジウムで、グルーオンの発見に関する招待講演を行ったばかりでした。インタビューは、分かりやすさを考慮して要約・編集されています。

世界最大規模の実験に携わり、数十人の学生を指導し、マディソンとジュネーブを行き来されていますね。普段の一日はどんな感じですか？

とても疲れます！基本的にはCERNにフルタイムで勤務していますが、マディソンにもかなり頻繁に行きます。なので、出張が多いですね。

どうやってそれを全部管理するんですか？

そうですね、重要なのは、私が研究に全身全霊で取り組んでいることだと思います。夫の呉泰俊（タイ・ツン・ウー）もハーバード大学の理論物理学教授です。今、彼は私よりもずっと一生懸命働いています。想像もつかないほどです。彼はヒッグス粒子の崩壊に関する非常に難しい計算を行っています。でも、私は彼に一生懸命働くことを勧めています。年を取った時の精神状態にとって良いことだからです。私も一生懸命働いているのは、そのためです。

あなたが関わったすべての発見の中で、特に気に入っているものはありますか?

グルーオンを発見した時は、本当に素晴らしい時間でした。当時、私は助教として2年か3年目でした。本当に嬉しかったです。というのも、共同研究の主要メンバーの中で、私が一番年下だったからです。

グルーオンは光子以来初めて発見された力を伝える粒子です。弱い力を運ぶWボソンとZボソンは数年後に発見され、発見した研究者たちはノーベル賞を受賞しました。なぜグルーオンの発見には賞が授与されなかったのでしょうか？

まあ、それはノーベル委員会に聞いてくださいね。（笑）でも、私の考えは言えます。ノーベル賞を取れるのは3人だけです。そして、私と一緒に実験に参加してくれたのは、私より年上の物理学者3人でした。彼らは私をとても良くしてくれました。でも、私はグルーオンを探すという考えをすぐに押し進め、計算をしました。理論家と話すことさえしませんでした。理論家と結婚したにもかかわらず、理論家から言われたことには全く耳を傾けませんでした。

どうしてあなたがその計算をすることになったのですか?

成功したければ、速くなければなりません。そして、一番乗りでなければなりません。そこで私は、ハンブルクのDESY（ドイツ電子シンクロトロン）の新しい衝突型加速器が稼働したらすぐにグルーオンを観測し、3つの粒子ジェットの信号を認識できるように計算を行いました。当時は、ジェットの概念が導入されてからまだ数年しか経っていなかったため、グルーオンの信号が明確かどうか確信が持てませんでしたが、これがグルーオンを発見する唯一の方法だと思われました。

あなたは、標準模型において他の多くの粒子に質量を与える粒子であるヒッグス粒子の発見にも携わられました。この実験は、あなたが参加した他の実験とどのように異なっていましたか？

ヒッグス粒子の発見には、他の何にも増して、はるかに多くの時間と労力を費やしました。30年以上もの間、次から次へと実験を繰り返し、ヒッグス粒子の発見に大きく貢献したと思っています。しかし、CERNのATLAS実験は規模が大きすぎて、個人の貢献について語ることはできません。私たちの実験を構築し、それに携わったのは3000人にも上ります。誰が何かを主張できるというのでしょう？昔は、人生はもっと楽だったのに。

あなたが物理学を始めた頃と比べて、物理学の分野で女性として働くことは容易になりましたか?

私にとってはそうではありません。でも、若い女性にとってはそうです。資金提供機関や団体の中には、若い女性を奨励する傾向があり、それは素晴らしいことだと思います。しかし、私のような人間にとっては、それはより困難です。私は非常に困難な時期を経験しました。そして今、地位を確立した今、周りの人たちから「なぜ私たちがあなたを特別扱いしなければならないのですか？」と言われます。

あなたが若い研究者だった頃の指導者は誰でしたか?

DESY でグルーオンを探していたとき、Bjørn Wiik が本当に助けてくれました。

どうして？

ウィスコンシン大学に着任した頃、私は新しいプロジェクトを探していました。グルーオンの存在を最も明確に示唆する電子と陽電子の衝突に興味があったのです。そこで、スタンフォード大学のSLAC（スタンフォード大学アストロサイエンス・アソシエーション）で同様の実験を行っているウィスコンシン大学の別の教授に相談に行きました。しかし、彼は私と一緒に研究することに興味を示しませんでした。

そこで、DESYの新しい電子陽電子衝突型加速器（EPC）のプロジェクトに参加しようと考えました。JADE実験（検出器を開発した国名：日本、ドイツ（Deutschland）、イギリスの頭文字をとったもの）に参加したかったんです。そこで働いていた友人がいたので、ドイツに行って、合流する準備も万端でした。ところが、グループの中の有名な教授に誰も私のことを話していないと聞き、彼に電話しました。すると彼は「君を連れて行けるかどうかわからない。1ヶ月ほど休暇を取るので、戻ったら電話する」と言いました。でも、もうドイツのDESYに来ていたので、本当に悲しかったです。

しかしその後、TASSOという別の実験を率いていたビョルン・ウィックに偶然出会い、「ここで何をしているんだ？」と聞かれました。私は「JADEに参加しようとしたけど、断られたんだ」と答えました。すると彼は「話を聞いてくれ」と言い、翌日にはすぐに受け入れてくれました。ところが、JADEは後にチャンバーを壊してしまい、TASSOで初めてグルーオンの3ジェット信号を観測した時、JADEはそれを観測できなかったのです。こうして私は、人生で何かがうまくいかなくても、別の何かがうまくいくということを学びました。

あなたは確かにそのネガティブをポジティブなものに変えました。

はい。香港を離れてアメリカの大学に進学した時も同じでした。アメリカ領事館で大学案内を見て、50校に出願しました。お金がなかったので、すべての願書に「全額奨学金と寮費、食費が必要です」と書きました。4校から返事がありましたが、3校は断りました。アメリカの大学で私を受け入れてくれたのはヴァッサー大学だけでした。そして、結局、ヴァッサー大学は私が出願したすべての大学の中で最高の大学でした。

粘り強く続ければ、必ず良いことが起こる。私の哲学は、努力と的確な判断力が必要だということです。しかし、運も必要不可欠です。

これは不公平な質問だとわかっています。なぜなら、男性に聞くべきなのに、誰も聞かないからです。しかし、どうすれば社会はより多くの女性に物理学を学んだり、それを職業として考えたりするよう促せるのでしょうか。

そうですね、私の専門である実験高エネルギー物理学について少しだけお話しできます。私の分野は女性にとって非常に厳しいと思います。それは家族の問題も一因だと思います。

夫と私は10年間、夏の間を除いて一緒に暮らしていませんでした。そして、子供を持つことも諦めました。子供を持つことを考え始めたのは、ちょうど終身在職権と助成金の申請時期だったからです。妊娠したら、その両方を失うのではないかと不安でした。実際に子供を持つことよりも、妊娠中に部署や会議に出ることの方が心配でした。ですから、家族にとっては本当に大変なことです。

まだできると思います。

ええ、でも若い世代は違います。最近は、女性を支援している学科は良い印象を与えます。学科が見栄えを良くするためだけに意図的にそうしているわけではありませんが、女性を積極的に排除することはなくなりました。とはいえ、それでも大変です。特に高エネルギー実験物理学では。出張が多すぎて、家族を持つことや生活を送ることが難しくなっていると思います。理論の方がずっと楽です。

あなたは素粒子物理学の標準モデルの確立に多大な貢献をしてきました。そのことについて、気に入っている点と、気に入っていない点は何ですか？

標準モデルがこれほどうまく機能していることは、本当に驚くべきことです。標準モデルで説明できない何かを探そうとするたびに、標準モデルがそうすべきではないと示してくれるので、見つからないというのは、とても興味深いですね。

しかし、私の時代は、まだ発見も確立もされていないことが山ほどありました。今の問題は、すべてが見事に調和し、モデルが十分に裏付けられていることです。だからこそ、J/PSIの発見の時代が懐かしいのです。誰もそんなことは予想していませんでしたし、誰もそれが何なのか全く分かっていませんでした。

しかし、驚きの日々はまだ終わっていないのかもしれません。

標準モデルは自然現象の不完全な記述であることは周知の事実です。重力、ニュートリノの質量、そして暗黒物質（宇宙の質量の7分の6を占めるとされる目に見えない物質）は考慮されていません。標準モデルの先にあるものについて、何かお考えはありますか？

ええと、今は暗黒物質を構成する粒子を探しています。ただ一つ言えるのは、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で研究することに専心しているということです。でも、衝突型加速器が暗黒物質を探すのに最適な場所かどうかは分かりません。暗黒物質は銀河系にはあるのですが、地球上では見えません。

それでも、私は挑戦してみようと思います。もしダークマターが既知の粒子と何らかの相互作用を持つなら、LHCでの衝突によって生成される可能性があります。しかし、弱い相互作用をするダークマターはATLASの検出器に目に見える痕跡を残さないので、実際に目にするものからその存在を直感的に判断するしかありません。今は、ヒッグス粒子を1つ生成する衝突において、失われたエネルギーと運動量の形でダークマターの存在の兆候を見つけることに集中しています。

他にはどんなことに取り組んでいますか?

私たちの最も重要な課題は、全く新しい種類の粒子であるヒッグス粒子の特性を理解することです。ヒッグス粒子は、私たちが知るどの粒子よりも対称性が高く、スピンを持たない初めての粒子として発見されました。私のグループと私は、ごく最近行われたトップクォークと相互作用するヒッグス粒子の測定に大きく貢献しました。この観測は非常に困難でした。5年間の衝突データを分析し、私のチームは高度な機械学習技術と統計学に精力的に取り組みました。

ヒッグス粒子の研究と暗黒物質の探索に加え、私と私のグループはシリコンピクセル検出器、（潜在的に興味深い衝突を特定する）トリガーシステム、そしてATLAS検出器の計算システムにも貢献しました。現在、LHCの停止とアップグレードの合間に、これらの改良に取り組んでいます。近い将来、量子コンピューティングを用いたデータ解析を開始する予定であり、非常に期待しています。

キャリアを始めたばかりの若い物理学者にアドバイスはありますか?

最近の若い実験家の中には、少し保守的すぎる人がいます。言い換えれば、主流ではないことに挑戦することを恐れているのです。リスクの高いことをして結果が出ないことを恐れているのです。彼らを責めるつもりはありません。それが今の文化なのです。彼らへのアドバイスは、最も重要な実験は何なのかを見極め、粘り強く続けることです。良い実験には必ず時間がかかります。

しかし、誰もがその時間を取れるわけではない。

そうです。若い学生は、非常に短い時間で成功できる場合を除いて、必ずしも革新的なことをする自由があるわけではありません。彼らは常に辛抱強く探究する時間があるわけではありません。彼らは共同研究者から認められる必要があります。推薦状を書いてくれる人が必要なのです。

皆さんにできるのは、一生懸命努力することだけです。でも、私は生徒たちにこうも言っています。「コミュニケーションを取りましょう。心を閉ざさないでください。一人でもグループでも、良いアイデアを考え出してみてください。革新に挑戦してみてください。簡単なことは何もありません。でも、何か新しいものを発見できれば、その努力はすべて報われるはずです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。