ニュートリノ放射で「核兵器を無力化」できた！
2024.08.13
野村泰紀氏は、日本の著名な物理学者です。
彼は1974年1月21日生まれで、専門は素粒子論と宇宙論です。現在、カリフォルニア大学バークレー校の教授であり、バークレー理論物理学センターの所長も務めています。
野村泰紀氏の研究については、ニュートリノ放射を利用して核兵器を無力化するという非常に興味深い技術が提案されています。この技術は、超高エネルギーのニュートリノビームを核兵器に照射することで、核分裂性物質を無力化することを目指しています。
https://core.ac.uk/download/pdf/345018347.pdf
具体的には、ニュートリノと核分裂性物質の相互作用を利用して、核兵器の内部で不完全核爆発を誘発し、核兵器を実質的に無力化するというものです。この技術が実現すれば、核兵器の脅威を大幅に減少させる可能性があります。
① 核分裂系(遮蔽物質+核兵器)中での超高エネルギーニュートリノの深非弾性散乱現象
② この深非弾性散乱で放出されるハドロンと体系中の原子核との散乱・衝突現象
③ さらに二次的・副次的な核反応で生じた粒子群の体系中での輸送・発熱現象
これらの現象は、①が素粒子物理学、②が原子核物理学、③が中性子物理学でそれぞれ扱われる領域である。巨大ミュー粒子加速器を利用してこれらの現象を人工的に引き起こし、核兵器を無力化する技術が、我々が提唱する核兵器バスターである。
2. 超高エネルギー領域でのニュートリノの相互作用
2.1. クォークレベルでのニュートリノ深非弾性散乱断面積
ニュートリノは弱い相互作用しか行わない素粒子であるため、地球でも容易に通り抜けてしまうと言われている。しかし、素粒子の標準模型では電磁相互作用と弱い相互作用は一つに統一され、低エネルギー領域で弱い相互作用が小さいのは、ウィークボソン（ＷとＺ）の質量が大きい（陽子の約１００倍の質量）ためであることが明らかになっている。従って、ウィークボソンの質量Mを上回る高エネルギー領域においては、ニュートリノと物質の相互作用は十分に強くなる。
素粒子反応では、相互作用の大小を表すために断面積（σと表記）と呼ぶ量を使う。
イメージとして、的にボールをぶつけるとき、的が幾何学的に大きければ当たりやすいが、そのように換算して相互作用の強さを表している。
次に、断面積からニュートリノの平均自由行程（Ｒと表記）が導かれる。Ｒは、ある密度の物質中をニュートリノが進むとき、物質と反応する平均距離を表す。もしＲが地球の大きさよりもはるかに大きいなら、いくらニュートリノ・ビームを照射しても、地球にある核分裂性物質が反応することはまずないが、仮にＲが地球直径程度（104km程度）以下であれば、ニュートリノにより核分裂性物質を無力化することが可能となる。
すぐわかるように、Ｒはσに逆比例する。よって、まず素粒子反応に関する理論から見積もらなければいけないのは、ニュートリノの断面積σであり、それから、地球の物質密度などを考慮して平均自由行程Ｒを決めることになる。超高エネルギーでσが大きくなることにより、Ｒを目標値（104km程度）にできることが、この核兵器無力化技術のポイントなのである。
物質は原子からできており、原子は原子核と電子から成る。原子核は陽子(p)と中性子(n)のは核子(p, n の総称) の質量 N結合状態である。実は、後の式でわかるように、断面積は標的の質量に比例する。電子の質量m の1800分の1でしかないため、以下では原子核を標的と考える。
核子はクォーク（一般にqと表記）の結合状態であるので、結局ニュートリノとクォークの断面積を計算すれば良いことになる。さきの小林—益川理論のノーベル賞受賞により一般にも広く知られるようになったが、クォークは6種類ある。
日本でも核兵器を無力化する研究が、密かに進んでいた。
２００２年にノーベル物理学賞を受賞した小柴昌俊氏は、愛知県豊橋市生まれの物理学者で、ニュートリノの研究で偉業を成し遂げた。
このニュートリノの研究成果を発展させて、核兵器を無力化する研究が、密かに進んでいる。
素粒子物理学や原子核物理学や中性子物理学などとの協力による、モンテカルロ法によるコンピュータ・シムレーションでは、すでに理論上は実現可能だ。
誤解を怖れず簡潔に言えば、ニュートリノを核兵器に照射することによって、不完全核爆発を起こさせて、核兵器を実質的に無力化する、という技術である。
日本の研究予算では無理だった。
研究者の手弁当だけでは実現できない技術なので、実用化のためには巨額の予算が必要になる。
それは、文部科学省でも、経済産業省でも、防衛省でも、自衛隊でも、あるいは産業界でも、どこの予算であっても構わないが、実現し実装できれば、自国の安全保障に寄与するだけに限らず、全世界の核兵器の廃絶につながる可能性がある。
バークレー理論物理学センターの所長である「野村泰紀氏」
彼の研究は、余剰次元や統一理論、量子重力理論、マルチバース宇宙論など、多岐にわたります。また、理化学研究所や東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構でも研究を行っています。
野村氏は、多くの著書を執筆しており、最新の宇宙論や素粒子論について一般向けに解説しています。例えば、『なぜ宇宙は存在するのか はじめての現代宇宙論』や『多元宇宙（マルチバース）論集中講義』などがあります
我々が住む宇宙以外に、無数の宇宙が存在している——。
SFではない。現代宇宙論と素粒子論が導き出した「マルチバース理論」という考え方だ。
宇宙は正体不明の「ダークマター」と「ダークエナジー」で満たされている。宇宙は加速的に膨張を続けている。我々が住む世界は四次元ではなく十次元だ。真空は「適度に小さなエネルギー」を持つ。にわかには理解することが難しいかもしれない。しかし、これらの問題を一つ一つ丁寧に紐解いていくと「マルチバース理論」に到達するのだ。
僕がやっている素粒子論や宇宙論の分野では、実験をする「実験屋」と理論を考える「理論屋」は、別の仕事をしています。
僕は理論屋ですが、主な仕事は、ディスカッションをしたり、新しい論文を読んだり、学会に行って最新の研究発表を聞いたりすること。実験屋は、どのような実験をするかにもよりますが、それらに加えて計測機器を作る、機器を作るための予算をとる、実際に実験をする人を雇う、などの仕事もします。
若い実験屋は、僕ら理論屋よりも先に新しい発見を目の当たりにすることができるので、ものすごい知的興奮があると思います。ただし、大きな実験のメンバーとして働くので、自由度は理論屋よりも少ないかもしれません。
実験屋の仕事場としては、日本では岐阜県神岡鉱山跡に作られた「カミオカンデ」が有名です。小柴昌俊氏がニュートリノの発見でノーベル物理学賞を受賞したことで、一躍脚光を浴びました。現在はその後継のスーパーカミオカンデが動いていますが、そこで働く人たちは、ヘルメットをかぶって、エレベーターに乗って地下1,000メートルのところまで行って、巨大な計測装置を操作する。僕たち理論屋からすると非日常的な生活をしています。
実験屋と理論屋は、同じ物理屋でもやってることも必要とされる能力も違う。実験屋は、組織の中で働くので、ある程度人とのコミュニケーション能力、統率力が必要です。あとは、予算をとってくる能力。実験にはものすごいお金がかかりますから。それに比べると、理論屋は物理しかできないような変人も結構います。
野村 泰紀（のむら・やすのり）氏
カリフォルニア大学バークレー校教授。バークレー理論物理学センター長。理学博士。
米国フェルミ国立加速器研究所、カリフォルニア大学バークレー校助教授、同准教授などを経て現職。ローレンス・バークレー国立研究所上席研究員、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構連携研究員も務める。
謎の物質やエネルギー、いったいどこからが「謎」？
宇宙に存在する謎の物質「ダークマター」や謎のエネルギー「ダークエネルギー」が紹介されています。「ダークマター」「ダークエネルギー」は、どこまで詳細がわかっていて、どこからが「謎」なのでしょうか。
野村：ダークマターは「光では見えない物質」です。「存在する」ということはわかっています。現在の宇宙を構成するエネルギーの中で、僕たちが観測できる電子や陽子などによるエネルギーが占める割合は5％程度。それに対して、ダークマターが持つエネルギーは宇宙の構成エネルギーの約25％を占めることが観測結果からわかっています。ただ、それ以外はわかっていません。
現代宇宙論では、「宇宙は加速的に膨張している」と考えられています。その加速膨張を引き起こしているのが、ダークエネルギーです。ダークエネルギーも、宇宙の構成エネルギーの約70％を占めていることはわかっている。ダークエネルギーの正体の最有力候補は、真空のエネルギーです。
真空のエネルギーというと、不思議な印象を受けるかもしれません。真空にもエネルギーは存在します。「空間自体が持つエネルギー」というイメージ。最有力候補が固まっている、という点では、ダークエネルギーはその存在自体はあまり謎ではないのかもしれませんね。
少しだけゆらいでいる宇宙
「宇宙はビッグバン時代に突入する前に、インフレーションと呼ばれる爆発的な加速膨張の時代を経験した」と書かれていました。インフレーションが起こった証拠として、「Bモード偏光の光子の検出」が重要、とのことですが、Bモード偏光の光子とは、どのようなものなのでしょうか。
初期の宇宙から発せられる「宇宙背景放射」という電波を観測すると、初期の宇宙は、ほぼ一様で均一だったことがわかります。「ほぼ」というのは、宇宙の密度には10万分の1程度のゆらぎがあったからです。この小さなゆらぎが後に成長して、我々が現在みる銀河や銀河団になったのです。
ここで、「なぜ宇宙はほぼ一様だったのか」ということが問題となります。この宇宙の一様性や他の諸問題を説明するために、1980年代に考え出された理論がインフレーション理論です。
しかし、このインフレーション理論は、同時に一様性からの小さなずれも予言するのです。この小さなずれが宇宙背景放射にみられる密度ゆらぎの起源なのですが、インフレーションは密度のゆらぎだけではなく、「原始重力波」という時空のゆらぎをも生じます。この時空のゆらぎは、インフレーション以外では生成するのことがとても難しいものです。
ですから、原始重力波の検出はインフレーションが起こった直接的な証拠となり得ます。そこで、原始重力波に由来する宇宙背景放射の成分を検出しよう、という試みが多数なされています。宇宙背景放射を構成する光子の偏光にはBモードとEモードの2種類があります。原始重力波に由来する偏光は、Bモードです。つまりBモード偏光の光子を宇宙背景放射から検出することで、原始重力波の存在を確認することができるのです。
原始重力波に由来するBモード偏光の光子は、現時点では見つかっていません。一方で、いつ見つかってもおかしくありません。Bモード偏光の光子が検出されれば、インフレーション理論はより強固なものになると思います。
実は、ハーバード大学とカリフォルニア工科大学が中心のBICEP2という研究チームが、Bモード偏光の光子を検出した、と発表したことがあります。2014年のことです。関連する科学者の家にレポーターが駆けつけ、カメラの前でシャンパンを抜く、などしていました。でも後になって、結局それは違う偏光だった、ということがわかりました。
実はインフレーション終了後に、他のモードの光子が変換してBモードになることもあるのです。BICEP2が検出したBモード偏光の光子は原始重力波由来のものではなく、このインフレーション後に生成されたものだった、というオチです。
「超弦理論（超ひも理論）」の重要性
現在、「相対性理論」と「量子力学」を融合させた「超弦理論（超ひも理論）」の研究がさかんにおこなわれています。「相対性理論」と「量子力学」を融合させることの重要性について。
宇宙が量子力学で動いている、ということは確かです。でも、ここで一つ大きな問題があります。重力の理論である相対性理論、より正確には一般相対性理論ですが、それには量子力学の効果が入っていないのです。
一般的に、量子力学は小さいスケールでの方が、その影響が大きくなります。しかし、小さいスケールでは、重力は無視できてしまう。電磁気力に比べると、重力ってめちゃくちゃ弱い力なんです。
でも、大きいスケールでは重力は重要ですよね。僕たちは、地球の重力に引っ張られて、地面に立つことができている。宇宙論で語られる天体現象も、それぞれの天体の重力の効果によって起こるものがほとんどです。これは重力が、他の力とちがって引力としてしか働かないため、大きなものでは単純にその効果が足しあがるという性質を持つためです。
最近まで、量子力学的な考え方と重力が同時に必要になる、というような場面はありませんでした。だから、2つの理論を別々にしておいても問題はなかった。ただ、最近になってブラックホールのように非常に強い重力を持つ天体では、量子力学と相対性理論の両方を入れ込んだ理論がないと、どのようなことが起こるのか計算ができない、わからない、ということがわかってきた。わからないことをわかるようにするために、超弦理論が必要とされるようになりました。
1970年代に超弦理論の元となる弦理論が発表されましたが、その後この理論はあまり注目されませんでした。1980年代になって、マイケル・グリーン氏とジョン・シュワルツ氏が弦理論を見直したとき、重力が含まれている、ということに気づきました。さらに彼らは弦理論をブラッシュアップして、超弦理論を発表しました。
超弦理論を開いたら、無数の宇宙があった！
超弦理論には、素粒子の間に働く「電磁気力」「弱い力」「強い力」「重力」の4つの力がすべて含まれている。
含まれています。というか、実は超弦理論には「いろいろなものが入りすぎて」いるのです。その一つが余剰次元です。超弦理論では、我々が住む世界は、一般的に認識可能な四次元ではなく、十次元になります。また、超弦理論を使うと標準模型以外の力も簡単に出すことができます。
ちょっと余剰次元の形を変えたりすると、僕らが見ている標準模型の世界にそぐわない、たくさんの世界が出てくる。「いろいろな宇宙がある」ということです。それが、マルチバースです。
スティーブン・ワインバーグ氏は1980年代から「マルチバース理論」を予測していました。彼は、どのような過程を経てマルチバース理論にたどり着いたのでしょうか。
ワインバーグは、超弦理論とは別の方法でマルチバース理論に行き着きました。
真空のエネルギー密度の絶対値は、理論的にざっと見積もると10⁹⁰g/cm³というとんでもない値になる。しかし、観測値により、10⁹⁰g/cm³よりも120桁近く小さい値が真空のエネルギー密度の上限値とされていました。120倍ではなく、120桁です。多くの物理学者たちがこの問題に取り組みましたが、理論的に真空のエネルギー密度を小さくすることはできませんでした。
そこでワインバーグが考えたことは「いろいろな真空のエネルギー密度を持つたくさんの宇宙がある」ということでした。10¹²⁰個以上の宇宙があれば、自然な値より120桁小さい真空のエネルギー密度を持った宇宙があっても確率的におかしくありません。
さらにワインバーグは、真空のエネルギー密度が現在の宇宙の物質のエネルギー密度である2.7×10⁻³⁰g/cm³と同程度以下でなければ、宇宙には我々自身を含む、一切の意味ある構造が生じないことを示しました。これは逆に言えば、我々のような高等生命体が宇宙を観測したときには、つねにこのような小さい真空のエネルギー密度を見い出すということを意味します。
ワインバーグは、このような理由で我々の宇宙の真空のエネルギー密度が小さくなっているのならば、それは将来の観測で見つかると予言しました。なぜなら、この考えでは、真空のエネルギー密度は現在の宇宙の物質のエネルギー密度よりはるかに小さい必要はなく、またそうである理由も存在しないからです。
ワインバーグがはじめにマルチバース理論に関する論文を発表したのは、1987年のことでした。当時は真空のエネルギーはゼロであると考える科学者がほとんどでした。しかし、1998年に宇宙の加速膨張が観測的に捉えられました。このようなことは、宇宙に真空のエネルギーが存在するときにのみ起こります。そのとき、物理学者たちはワインバーグの真空のエネルギー密度とマルチバース理論を予測した論文を思い出したのです。
そうやって真剣に考え出すと、宇宙がたくさんあることを説明する理論が必要になります。そこで、そのようなたくさんの宇宙が、自動的に含まれている超弦理論が再び脚光を浴びます。次に、「たくさんの宇宙は実際にどのようにして生まれるのか」という疑問が生じ、インフレーション理論が注目されました。インフレーション理論では、宇宙が無数に作られ続ける現象である「永久インフレーション」が起こるとされていたからです。こうして、1970年代から1980年代にかけて予測されていた3つの理論が、21世紀に入ってどんどん繋がっていきました。これはすごいパワフルな議論でした。
信じるか、疑うか
「疑うこと」と「信じること」のバランスはとても難しいです。大天才と言われたアインシュタインでさえも、自身が書いた一般相対性理論の式を疑ったことがあります。
式を宇宙に当てはめてみると、宇宙は膨張しているか収縮しているかのどちらかだ、ということになってしまう。当時は、「宇宙は常にそこにあるもの」と考えられていました。アインシュタイン自身も、そう考えていました。そこで、一般相対性理論の式をいじって、無理やり「宇宙は膨張も収縮もしていない」という理論にした。ところがその直後に、宇宙は膨張している、という観測結果が出てしまいました。アインシュタインは、相当ショックを受けたそうです。
1960年代に、ワインバーグとアブドゥス・サラム氏によって、2つの力を統一的に扱う「電弱統一理論」が発表されました。ワインバーグも、発表後に電弱統一理論の式に手を加えようとしました。最初に発表した式では、弱い力には、「荷電カレント相互作用」と「中性カレント相互作用」の2種類があるはずでした。でも、実験的に中性カレントが検出されなかったんです。
ワインバーグは、中性カレントが発生しないように電弱統一理論の式を変えようとしました。ところが3年後、中性カレントが発見されました。ワインバーグは、「科学者として一番脂がのっていた3年間を無駄にした」と晩年まで言っていたらしいです。
サイエンスの世界で「信じる」ためには、証拠がなければいけません。でも、理論の全てが実験で調べられて証拠が得られるわけではない。ある程度までの証拠を得た段階で、次のステップに行かなければなりません。段階の見極めには、センスが求められる。どのような研究テーマを選ぶのか、ということも同じです。いい研究テーマの選び方があるのだったら、教えてほしいですね。
結局は、自分のセンスを信じて、研究テーマを選ぶしかないですよね。研究者としてのキャリアを築いていくにあたって、若いうちから一流のところに身を置いて揉まれることで、センスは磨かれていきます。
ノーベル賞を受賞した学者の弟子が、後年になってノーベル賞を受賞する、ということはよくある話です。だから、僕は学生には、できる限りいい研究機関に行って、トップの学者と交わるように言っています。学ぶだけなら教科書を読むだけで十分ですが、研究者としてのセンスを磨くため、高いレベルでディスカッションをしてほしい、と思います。もちろん、最終的にはちょっとした運も必要にはなりますが。
彼は1974年1月21日生まれで、専門は素粒子論と宇宙論です。現在、カリフォルニア大学バークレー校の教授であり、バークレー理論物理学センターの所長も務めています。
野村泰紀氏の研究については、ニュートリノ放射を利用して核兵器を無力化するという非常に興味深い技術が提案されています。この技術は、超高エネルギーのニュートリノビームを核兵器に照射することで、核分裂性物質を無力化することを目指しています。
https://core.ac.uk/download/pdf/345018347.pdf
具体的には、ニュートリノと核分裂性物質の相互作用を利用して、核兵器の内部で不完全核爆発を誘発し、核兵器を実質的に無力化するというものです。この技術が実現すれば、核兵器の脅威を大幅に減少させる可能性があります。
① 核分裂系(遮蔽物質+核兵器)中での超高エネルギーニュートリノの深非弾性散乱現象
② この深非弾性散乱で放出されるハドロンと体系中の原子核との散乱・衝突現象
③ さらに二次的・副次的な核反応で生じた粒子群の体系中での輸送・発熱現象
これらの現象は、①が素粒子物理学、②が原子核物理学、③が中性子物理学でそれぞれ扱われる領域である。巨大ミュー粒子加速器を利用してこれらの現象を人工的に引き起こし、核兵器を無力化する技術が、我々が提唱する核兵器バスターである。
2. 超高エネルギー領域でのニュートリノの相互作用
2.1. クォークレベルでのニュートリノ深非弾性散乱断面積
ニュートリノは弱い相互作用しか行わない素粒子であるため、地球でも容易に通り抜けてしまうと言われている。しかし、素粒子の標準模型では電磁相互作用と弱い相互作用は一つに統一され、低エネルギー領域で弱い相互作用が小さいのは、ウィークボソン（ＷとＺ）の質量が大きい（陽子の約１００倍の質量）ためであることが明らかになっている。従って、ウィークボソンの質量Mを上回る高エネルギー領域においては、ニュートリノと物質の相互作用は十分に強くなる。
素粒子反応では、相互作用の大小を表すために断面積（σと表記）と呼ぶ量を使う。
イメージとして、的にボールをぶつけるとき、的が幾何学的に大きければ当たりやすいが、そのように換算して相互作用の強さを表している。
次に、断面積からニュートリノの平均自由行程（Ｒと表記）が導かれる。Ｒは、ある密度の物質中をニュートリノが進むとき、物質と反応する平均距離を表す。もしＲが地球の大きさよりもはるかに大きいなら、いくらニュートリノ・ビームを照射しても、地球にある核分裂性物質が反応することはまずないが、仮にＲが地球直径程度（104km程度）以下であれば、ニュートリノにより核分裂性物質を無力化することが可能となる。
すぐわかるように、Ｒはσに逆比例する。よって、まず素粒子反応に関する理論から見積もらなければいけないのは、ニュートリノの断面積σであり、それから、地球の物質密度などを考慮して平均自由行程Ｒを決めることになる。超高エネルギーでσが大きくなることにより、Ｒを目標値（104km程度）にできることが、この核兵器無力化技術のポイントなのである。
物質は原子からできており、原子は原子核と電子から成る。原子核は陽子(p)と中性子(n)のは核子(p, n の総称) の質量 N結合状態である。実は、後の式でわかるように、断面積は標的の質量に比例する。電子の質量m の1800分の1でしかないため、以下では原子核を標的と考える。
核子はクォーク（一般にqと表記）の結合状態であるので、結局ニュートリノとクォークの断面積を計算すれば良いことになる。さきの小林—益川理論のノーベル賞受賞により一般にも広く知られるようになったが、クォークは6種類ある。
日本でも核兵器を無力化する研究が、密かに進んでいた。
２００２年にノーベル物理学賞を受賞した小柴昌俊氏は、愛知県豊橋市生まれの物理学者で、ニュートリノの研究で偉業を成し遂げた。
このニュートリノの研究成果を発展させて、核兵器を無力化する研究が、密かに進んでいる。
素粒子物理学や原子核物理学や中性子物理学などとの協力による、モンテカルロ法によるコンピュータ・シムレーションでは、すでに理論上は実現可能だ。
誤解を怖れず簡潔に言えば、ニュートリノを核兵器に照射することによって、不完全核爆発を起こさせて、核兵器を実質的に無力化する、という技術である。
日本の研究予算では無理だった。
研究者の手弁当だけでは実現できない技術なので、実用化のためには巨額の予算が必要になる。
それは、文部科学省でも、経済産業省でも、防衛省でも、自衛隊でも、あるいは産業界でも、どこの予算であっても構わないが、実現し実装できれば、自国の安全保障に寄与するだけに限らず、全世界の核兵器の廃絶につながる可能性がある。
バークレー理論物理学センターの所長である「野村泰紀氏」
彼の研究は、余剰次元や統一理論、量子重力理論、マルチバース宇宙論など、多岐にわたります。また、理化学研究所や東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構でも研究を行っています。
野村氏は、多くの著書を執筆しており、最新の宇宙論や素粒子論について一般向けに解説しています。例えば、『なぜ宇宙は存在するのか はじめての現代宇宙論』や『多元宇宙（マルチバース）論集中講義』などがあります
我々が住む宇宙以外に、無数の宇宙が存在している——。
SFではない。現代宇宙論と素粒子論が導き出した「マルチバース理論」という考え方だ。
宇宙は正体不明の「ダークマター」と「ダークエナジー」で満たされている。宇宙は加速的に膨張を続けている。我々が住む世界は四次元ではなく十次元だ。真空は「適度に小さなエネルギー」を持つ。にわかには理解することが難しいかもしれない。しかし、これらの問題を一つ一つ丁寧に紐解いていくと「マルチバース理論」に到達するのだ。
僕がやっている素粒子論や宇宙論の分野では、実験をする「実験屋」と理論を考える「理論屋」は、別の仕事をしています。
僕は理論屋ですが、主な仕事は、ディスカッションをしたり、新しい論文を読んだり、学会に行って最新の研究発表を聞いたりすること。実験屋は、どのような実験をするかにもよりますが、それらに加えて計測機器を作る、機器を作るための予算をとる、実際に実験をする人を雇う、などの仕事もします。
若い実験屋は、僕ら理論屋よりも先に新しい発見を目の当たりにすることができるので、ものすごい知的興奮があると思います。ただし、大きな実験のメンバーとして働くので、自由度は理論屋よりも少ないかもしれません。
実験屋の仕事場としては、日本では岐阜県神岡鉱山跡に作られた「カミオカンデ」が有名です。小柴昌俊氏がニュートリノの発見でノーベル物理学賞を受賞したことで、一躍脚光を浴びました。現在はその後継のスーパーカミオカンデが動いていますが、そこで働く人たちは、ヘルメットをかぶって、エレベーターに乗って地下1,000メートルのところまで行って、巨大な計測装置を操作する。僕たち理論屋からすると非日常的な生活をしています。
実験屋と理論屋は、同じ物理屋でもやってることも必要とされる能力も違う。実験屋は、組織の中で働くので、ある程度人とのコミュニケーション能力、統率力が必要です。あとは、予算をとってくる能力。実験にはものすごいお金がかかりますから。それに比べると、理論屋は物理しかできないような変人も結構います。
野村 泰紀（のむら・やすのり）氏
カリフォルニア大学バークレー校教授。バークレー理論物理学センター長。理学博士。
米国フェルミ国立加速器研究所、カリフォルニア大学バークレー校助教授、同准教授などを経て現職。ローレンス・バークレー国立研究所上席研究員、東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構連携研究員も務める。
謎の物質やエネルギー、いったいどこからが「謎」？
宇宙に存在する謎の物質「ダークマター」や謎のエネルギー「ダークエネルギー」が紹介されています。「ダークマター」「ダークエネルギー」は、どこまで詳細がわかっていて、どこからが「謎」なのでしょうか。
野村：ダークマターは「光では見えない物質」です。「存在する」ということはわかっています。現在の宇宙を構成するエネルギーの中で、僕たちが観測できる電子や陽子などによるエネルギーが占める割合は5％程度。それに対して、ダークマターが持つエネルギーは宇宙の構成エネルギーの約25％を占めることが観測結果からわかっています。ただ、それ以外はわかっていません。
現代宇宙論では、「宇宙は加速的に膨張している」と考えられています。その加速膨張を引き起こしているのが、ダークエネルギーです。ダークエネルギーも、宇宙の構成エネルギーの約70％を占めていることはわかっている。ダークエネルギーの正体の最有力候補は、真空のエネルギーです。
真空のエネルギーというと、不思議な印象を受けるかもしれません。真空にもエネルギーは存在します。「空間自体が持つエネルギー」というイメージ。最有力候補が固まっている、という点では、ダークエネルギーはその存在自体はあまり謎ではないのかもしれませんね。
少しだけゆらいでいる宇宙
「宇宙はビッグバン時代に突入する前に、インフレーションと呼ばれる爆発的な加速膨張の時代を経験した」と書かれていました。インフレーションが起こった証拠として、「Bモード偏光の光子の検出」が重要、とのことですが、Bモード偏光の光子とは、どのようなものなのでしょうか。
初期の宇宙から発せられる「宇宙背景放射」という電波を観測すると、初期の宇宙は、ほぼ一様で均一だったことがわかります。「ほぼ」というのは、宇宙の密度には10万分の1程度のゆらぎがあったからです。この小さなゆらぎが後に成長して、我々が現在みる銀河や銀河団になったのです。
ここで、「なぜ宇宙はほぼ一様だったのか」ということが問題となります。この宇宙の一様性や他の諸問題を説明するために、1980年代に考え出された理論がインフレーション理論です。
しかし、このインフレーション理論は、同時に一様性からの小さなずれも予言するのです。この小さなずれが宇宙背景放射にみられる密度ゆらぎの起源なのですが、インフレーションは密度のゆらぎだけではなく、「原始重力波」という時空のゆらぎをも生じます。この時空のゆらぎは、インフレーション以外では生成するのことがとても難しいものです。
ですから、原始重力波の検出はインフレーションが起こった直接的な証拠となり得ます。そこで、原始重力波に由来する宇宙背景放射の成分を検出しよう、という試みが多数なされています。宇宙背景放射を構成する光子の偏光にはBモードとEモードの2種類があります。原始重力波に由来する偏光は、Bモードです。つまりBモード偏光の光子を宇宙背景放射から検出することで、原始重力波の存在を確認することができるのです。
原始重力波に由来するBモード偏光の光子は、現時点では見つかっていません。一方で、いつ見つかってもおかしくありません。Bモード偏光の光子が検出されれば、インフレーション理論はより強固なものになると思います。
実は、ハーバード大学とカリフォルニア工科大学が中心のBICEP2という研究チームが、Bモード偏光の光子を検出した、と発表したことがあります。2014年のことです。関連する科学者の家にレポーターが駆けつけ、カメラの前でシャンパンを抜く、などしていました。でも後になって、結局それは違う偏光だった、ということがわかりました。
実はインフレーション終了後に、他のモードの光子が変換してBモードになることもあるのです。BICEP2が検出したBモード偏光の光子は原始重力波由来のものではなく、このインフレーション後に生成されたものだった、というオチです。
「超弦理論（超ひも理論）」の重要性
現在、「相対性理論」と「量子力学」を融合させた「超弦理論（超ひも理論）」の研究がさかんにおこなわれています。「相対性理論」と「量子力学」を融合させることの重要性について。
宇宙が量子力学で動いている、ということは確かです。でも、ここで一つ大きな問題があります。重力の理論である相対性理論、より正確には一般相対性理論ですが、それには量子力学の効果が入っていないのです。
一般的に、量子力学は小さいスケールでの方が、その影響が大きくなります。しかし、小さいスケールでは、重力は無視できてしまう。電磁気力に比べると、重力ってめちゃくちゃ弱い力なんです。
でも、大きいスケールでは重力は重要ですよね。僕たちは、地球の重力に引っ張られて、地面に立つことができている。宇宙論で語られる天体現象も、それぞれの天体の重力の効果によって起こるものがほとんどです。これは重力が、他の力とちがって引力としてしか働かないため、大きなものでは単純にその効果が足しあがるという性質を持つためです。
最近まで、量子力学的な考え方と重力が同時に必要になる、というような場面はありませんでした。だから、2つの理論を別々にしておいても問題はなかった。ただ、最近になってブラックホールのように非常に強い重力を持つ天体では、量子力学と相対性理論の両方を入れ込んだ理論がないと、どのようなことが起こるのか計算ができない、わからない、ということがわかってきた。わからないことをわかるようにするために、超弦理論が必要とされるようになりました。
1970年代に超弦理論の元となる弦理論が発表されましたが、その後この理論はあまり注目されませんでした。1980年代になって、マイケル・グリーン氏とジョン・シュワルツ氏が弦理論を見直したとき、重力が含まれている、ということに気づきました。さらに彼らは弦理論をブラッシュアップして、超弦理論を発表しました。
超弦理論を開いたら、無数の宇宙があった！
超弦理論には、素粒子の間に働く「電磁気力」「弱い力」「強い力」「重力」の4つの力がすべて含まれている。
含まれています。というか、実は超弦理論には「いろいろなものが入りすぎて」いるのです。その一つが余剰次元です。超弦理論では、我々が住む世界は、一般的に認識可能な四次元ではなく、十次元になります。また、超弦理論を使うと標準模型以外の力も簡単に出すことができます。
ちょっと余剰次元の形を変えたりすると、僕らが見ている標準模型の世界にそぐわない、たくさんの世界が出てくる。「いろいろな宇宙がある」ということです。それが、マルチバースです。
スティーブン・ワインバーグ氏は1980年代から「マルチバース理論」を予測していました。彼は、どのような過程を経てマルチバース理論にたどり着いたのでしょうか。
ワインバーグは、超弦理論とは別の方法でマルチバース理論に行き着きました。
真空のエネルギー密度の絶対値は、理論的にざっと見積もると10⁹⁰g/cm³というとんでもない値になる。しかし、観測値により、10⁹⁰g/cm³よりも120桁近く小さい値が真空のエネルギー密度の上限値とされていました。120倍ではなく、120桁です。多くの物理学者たちがこの問題に取り組みましたが、理論的に真空のエネルギー密度を小さくすることはできませんでした。
そこでワインバーグが考えたことは「いろいろな真空のエネルギー密度を持つたくさんの宇宙がある」ということでした。10¹²⁰個以上の宇宙があれば、自然な値より120桁小さい真空のエネルギー密度を持った宇宙があっても確率的におかしくありません。
さらにワインバーグは、真空のエネルギー密度が現在の宇宙の物質のエネルギー密度である2.7×10⁻³⁰g/cm³と同程度以下でなければ、宇宙には我々自身を含む、一切の意味ある構造が生じないことを示しました。これは逆に言えば、我々のような高等生命体が宇宙を観測したときには、つねにこのような小さい真空のエネルギー密度を見い出すということを意味します。
ワインバーグは、このような理由で我々の宇宙の真空のエネルギー密度が小さくなっているのならば、それは将来の観測で見つかると予言しました。なぜなら、この考えでは、真空のエネルギー密度は現在の宇宙の物質のエネルギー密度よりはるかに小さい必要はなく、またそうである理由も存在しないからです。
ワインバーグがはじめにマルチバース理論に関する論文を発表したのは、1987年のことでした。当時は真空のエネルギーはゼロであると考える科学者がほとんどでした。しかし、1998年に宇宙の加速膨張が観測的に捉えられました。このようなことは、宇宙に真空のエネルギーが存在するときにのみ起こります。そのとき、物理学者たちはワインバーグの真空のエネルギー密度とマルチバース理論を予測した論文を思い出したのです。
そうやって真剣に考え出すと、宇宙がたくさんあることを説明する理論が必要になります。そこで、そのようなたくさんの宇宙が、自動的に含まれている超弦理論が再び脚光を浴びます。次に、「たくさんの宇宙は実際にどのようにして生まれるのか」という疑問が生じ、インフレーション理論が注目されました。インフレーション理論では、宇宙が無数に作られ続ける現象である「永久インフレーション」が起こるとされていたからです。こうして、1970年代から1980年代にかけて予測されていた3つの理論が、21世紀に入ってどんどん繋がっていきました。これはすごいパワフルな議論でした。
信じるか、疑うか
「疑うこと」と「信じること」のバランスはとても難しいです。大天才と言われたアインシュタインでさえも、自身が書いた一般相対性理論の式を疑ったことがあります。
式を宇宙に当てはめてみると、宇宙は膨張しているか収縮しているかのどちらかだ、ということになってしまう。当時は、「宇宙は常にそこにあるもの」と考えられていました。アインシュタイン自身も、そう考えていました。そこで、一般相対性理論の式をいじって、無理やり「宇宙は膨張も収縮もしていない」という理論にした。ところがその直後に、宇宙は膨張している、という観測結果が出てしまいました。アインシュタインは、相当ショックを受けたそうです。
1960年代に、ワインバーグとアブドゥス・サラム氏によって、2つの力を統一的に扱う「電弱統一理論」が発表されました。ワインバーグも、発表後に電弱統一理論の式に手を加えようとしました。最初に発表した式では、弱い力には、「荷電カレント相互作用」と「中性カレント相互作用」の2種類があるはずでした。でも、実験的に中性カレントが検出されなかったんです。
ワインバーグは、中性カレントが発生しないように電弱統一理論の式を変えようとしました。ところが3年後、中性カレントが発見されました。ワインバーグは、「科学者として一番脂がのっていた3年間を無駄にした」と晩年まで言っていたらしいです。
サイエンスの世界で「信じる」ためには、証拠がなければいけません。でも、理論の全てが実験で調べられて証拠が得られるわけではない。ある程度までの証拠を得た段階で、次のステップに行かなければなりません。段階の見極めには、センスが求められる。どのような研究テーマを選ぶのか、ということも同じです。いい研究テーマの選び方があるのだったら、教えてほしいですね。
結局は、自分のセンスを信じて、研究テーマを選ぶしかないですよね。研究者としてのキャリアを築いていくにあたって、若いうちから一流のところに身を置いて揉まれることで、センスは磨かれていきます。
ノーベル賞を受賞した学者の弟子が、後年になってノーベル賞を受賞する、ということはよくある話です。だから、僕は学生には、できる限りいい研究機関に行って、トップの学者と交わるように言っています。学ぶだけなら教科書を読むだけで十分ですが、研究者としてのセンスを磨くため、高いレベルでディスカッションをしてほしい、と思います。もちろん、最終的にはちょっとした運も必要にはなりますが。
2024.08.13 12:32
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