3 Mysteries of the Universe — and a New Force That Might Explain Them | Alex Keshavarzi | TED

翻訳: Natsuki Kominami 校正: Masaki Yanagishita

So today, I’m really here to talk to you all about one thing:

さて 今日はあることについて お話ししようと思います

the universe.

宇宙です

In the world of particle physics,

素粒子物理学の世界における

the ultimate goal is to be able to describe

究極の目標は この宇宙を構成する

all the particles and forces that make up our universe.

全ての粒子と力を 記述できるようにすることです

And while we've made an extraordinary amount of progress in this

過去100年間に めざましい進歩を遂げてきましたが

over the past 100 years,

その歩みは

we're doing it still,

今も続いています

because there are big mysteries about what the universe is made of

宇宙を構成するもの それから 私たちが存在する理由について

and how we came to be here.

大きな謎があるからです

So let me start by introducing you

では 大きな謎のうちの

to three of the big mysteries about our universe.

３つを紹介していきましょう

First, we know that the universe is expanding.

まず 私たちは 宇宙が膨張していることを知っています

So astrophysical evidence suggests

宇宙物理の研究は

that the universe started as a very dense, very hot Big Bang,

宇宙が非常に高密高温の ビッグバンから始まり そこから

and has since been expanding outwards from that point.

外側へ膨張し続けていることを 示唆しています

However, as a complete shock, in the late '90s,

ところが90年代後半 物理学者たちは衝撃的な

physicists discovered that the expansion of the universe

発見をします 予想と反して 宇宙の膨張は

isn't slowing down, as you might expect --

減速しているのではなく むしろ

it's actually accelerating,

加速しているのです

and we have absolutely no idea as to why this is.

その理由は見当もつきません

All that we know is that some unknown source or force of nature

分かっているのは 未知のエネルギー源か自然界の力が

is stretching the universe out in every direction,

速度を増大させ続けながら 宇宙を全方位に向かって

at an ever-increasing rate.

引き延ばしているということです

And because we don't know what that source is,

そのエネルギーの源が 何か分かっていないので

we've just called it "dark energy."

単純に「ダークエネルギー」と 呼んできました

Now, what we do know about dark energy

ダークエネルギーについて 分かっているのは

is that it makes up roughly 74 percent of the energy content of our universe.

宇宙のエネルギーの 約74%を占めているということです

So straight off the bat,

それはつまり

that's 74 percent of our universe that we know absolutely nothing about.

宇宙の74%について 私たちは 何も知らないということです

Second, we know that 85 percent of all the matter in our universe

次に 宇宙の物質のうち 約85%が ダークマター（暗黒物質）と

is made up of something called dark matter.

呼ばれるものだということが 分かっています

Now, this photo that you're looking at here

こちらの画像は

is a picture from the Hubble Space Telescope,

ハッブル宇宙望遠鏡がとらえたもので

which shows a cluster of galaxies

地球から40億光年離れた

four billion light years away from the Earth.

銀河団を写したものです

And what's interesting here

興味深いのは

is the left and right parts of this photograph,

左右の画像が実は

because they're actually the same photo.

同じ画像だということです

But what you're looking at in the right photo

ただ 右側の画像には

is that it's had a blue filter applied to it,

青色のフィルターがかけてあり

to emphasize the light that's coming towards us

地球に向かう方向の 宇宙からの光を

from the distant universe.

強調してあります

And what you can see is a dark ring,

リング状の暗い部分を見ると

indicating a clearly reduced amount of light coming towards us.

そこだけ 光の量が少ない ということがはっきり分かります

Now we believe that this ring is a halo of dark matter.

私たちは このリングが ダークマターのハローだと考えています

Now we have no idea what dark matter is,

ダークマターが何かは 全く分かっておらず

and we've never observed it in experiments here on Earth,

地球上の実験で 観測できたこともありませんが

but we know from several corroborating astrophysical observations

裏付けとなる宇宙物理の いくつかの観測に基づくと

that it has to be there.

存在するはずなのです

Importantly, another thing that we know about dark matter

もう一つ ダークマターについて 重要なことは

is that it makes up another 21 percent of the energy content of our universe.

宇宙のエネルギーの さらに21%を占めるということです

So that, coupled with the dark energy problem,

つまり ダークエネルギーの 問題と合わせると

means that we only know what five percent of our universe is made of,

私たちは宇宙の構成要素の わずか5%しか知らず

and the rest is totally dark to us.

残りは謎に包まれているのです

The third problem concerns how we've come to exist at all.

３つめの問題は そもそも私たちが なぜ存在するのかということです

Now, fundamental particles of matter have their own antimatter particles,

物質を構成する基本の粒子一つ一つには 反粒子が存在します

which are the same as their normal matter counterparts,

私たちの周囲にある物資と 同じ性質を持ち

except they have opposite positive or negative charge,

電荷だけが反対なのです

just like the two ends of a normal, everyday battery.

電池の両極のようなものです

Now together, this charge is equal and balanced.

荷電は等しく 釣り合っています

The electron, for example,

いくらか身近な例として

which we're a bit more familiar with -- it gives us electricity in our homes --

家庭で電力を供給してくれる電子は

is negatively charged.

負の電荷を持っています

But it has an antimatter partner called the positron,

そして 正の電荷をもつ 陽電子という

which is positively charged.

反粒子のペアがいます

Now to ensure this balance,

釣り合いを確保するため

matter and antimatter are always created and destroyed equally and in pairs.

粒子と反粒子はつねに ペアで等しく生成し消滅します

This is what all of our theories predict,

これまでの理論から そのように推測でき

and this is what we observe in all of our experiments.

これまでの実験で そのように観測されています

And so in the Big Bang,

ですから ビッグバンで

we would [have] expected that matter and antimatter

粒子と反粒子が同量生成し

would have been created in equal amounts,

今日の宇宙にも

and so we would expect to see equal amounts of matter and antimatter

粒子と反粒子が同量存在すると

in the universe today.

予想したくなるものです

However, nearly every structure of matter,

ところが ほとんど全ての物質構造

every natural structure of matter in our universe --

宇宙のほとんど全ての自然構造―

you, me, the Earth, the stars --

みなさん 私 地球 その他の星々―は

are made almost entirely of normal matter,

ほぼまるごと 通常の粒子でできていて

leaving a lot of antimatter missing from the balanced equation.

釣り合いの方程式から 反粒子が抜け落ちているのです

For all you Marvel and Avengers fans out there,

マーベルとアベンジャーズの ファンのために言うと

it's a bit like someone's just snapped their fingers,

まるで誰かが指を ぱちんと鳴らした瞬間

and half of all the natural stuff in the universe has disappeared.

宇宙から 自然物質の半分が 消滅してしまったかのようなのです

There literally should be

文字通り 宇宙ひとつ分

another universe's worth of stuff all around us,

私たちのまわりにある物質が

but somehow, it's not there.

どういうわけか 欠落しているのです

And one of the greatest challenges in particle physics today

今日の素粒子物理学における 最大のテーマの一つは

is to figure out what happened to all the antimatter

反粒子に何が起こったのか そしてなぜ

and why we see an asymmetry between matter and antimatter at all.

粒子と反粒子に非対称性が 見られるのかを解明することです

So those are three of the big mysteries about our universe.

以上３つが宇宙の大きな謎です

And that's a lot of what we don't know.

私たちは知らないことだらけですね

Now, what this means

宇宙に関する

is our current understanding of the universe, up until this point,

現時点での私たちの理解では

can't tell us why the universe is the way it is,

宇宙がなぜこのような宇宙なのか

or what 95 percent of it is made of.

その95%が何でできているのか 説明できません

But importantly, each of these mysteries --

しかし重要なことに ３つの謎―

what is dark energy, what is dark matter

ダークエネルギーとは ダークマターとは

and the matter-antimatter asymmetry in the universe --

そして宇宙における 粒子と反粒子の非対称性―は全て

could all be solved by finding a new particle

新たな粒子か 新たな力を発見すれば

or a new force of nature.

解決できるかもしれないのです

So now, let me introduce you

さて 現時点での

to our current understanding of the universe.

宇宙についての理解を紹介しましょう

This is it.

こちらです

The standard model of particle physics,

素粒子物理の標準モデルを

the mathematical equation, which I’m sure you’re all very used to.

数式で表したものです みなさんよくご存じでしょう

(Laughter)

（笑）

Which describes how our universe works.

宇宙の仕組みを説明しているものです

You can think of it as the recipe

宇宙にある粒子や力が

for how all the particles and forces in the universe

どのように相互作用して 私たちのまわりにある

interact and result in the structures of matter

物質の構造を作っているのかを知る レシピのようなものだと

that we see around us.

思ってください

Now this equation represents a huge level of achievement

この式には 過去100年の 膨大な量の発見や解明が

over the past 100 years,

表されています

and in its full form, it's much longer, but simplified,

完全な形ではもっと長い式ですが 単純化された

like this,

こちらは

you see a very elegant, I think,

少なくとも私から見ると

elegant representation of the structure of matter.

物質の構造を表す シンプルで美しい式になります

And then, if that equation is the recipe,

この式がレシピならば

then these are the ingredients.

こちらは材料になります

Just 17 ingredients, 17 fundamental particles,

たった17個の材料 17個の基本粒子

where "fundamental" here means they're not known to have a substructure,

ここで「基本」というのは 下部構造をもたない つまり

they're not known to be composed of any smaller particles.

それ以上小さな粒子に 分割できないという意味をもちます

And together with the equation on the previous slide,

先ほどのスライドの式と合わせて これらの基本粒子は

they make up the standard model of particle physics.

素粒子物理学の標準モデルとなっています

And it is our best, most tested and globally accepted theory

現在知られている 宇宙の 全ての粒子と全ての力に関して

of all the known particles and forces in the universe.

最も信頼でき世界中で受け入れられている 最良のモデルです

And it's given rise to much of what we take for granted

今日私たちが当たり前に 享受しているものの多くは

in the modern world of today.

根本にこのモデルがあります

A good example would be our ability now to harness the energy from the Sun,

分かりやすい例として 太陽のエネルギーを利用する技術

where our ability to use solar power and our moves towards nuclear fusion

太陽光の利用や 核融合反応利用の推進は

couldn't be possible

標準モデルの

without understanding the particles and forces of the standard model.

粒子と力を理解することなしには あり得なかったでしょう

Now, whilst the standard model has been so successful

さて 標準モデルは 地球上で観測できる現象の

at testing the phenomena that we can test here on Earth,

実験に関しては 優れた結果を残していますが

it cannot accommodate and has no explanation for

先ほど述べたような 宇宙の大きな謎を

those big mysteries about our universe.

何ら説明してくれません

And so it's at this point that I'd like to introduce you

そこで とある粒子を

to a particular particle,

紹介したいと思います

and the hero of our story, the muon.

本日の主役 ミューオンです

Now, muons may seem unfamiliar to you all,

馴染みがないと思うかもしれませんが

but actually, they’re around us all the time.

ミューオンは 実は つねに私たちの周りにあります

Cosmic rays that hit the Earth's atmosphere

地球の大気圏に 宇宙線がぶつかる結果

result in showers of muons that constantly bombard the Earth.

地球は ミューオンのシャワーを 浴びている状態なのです

You may be surprised to learn, for example,

びっくりするかもしれませんが

that there are, on average, 30 muons

平均すると毎秒30個もの

traveling through each and every one of you every second.

ミューオンが 私たちの体を通り抜けています

Now, muons can be thought of, quite simply,

分かりやすく言うと ミューオンは電子から見ると

as the heavy cousin of the electron,

体重の重い いとこのような存在です

and they sit next to the electron in this picture,

図では電子のとなりにいて

and they're about 200 times heavier.

電子の約200倍の質量があります

But importantly, they’re an ideal tool for physicists to use

そして重要なのは 宇宙の大きな謎を説明する

to search and look for new particles and forces

新しい粒子や力を探すのに うってつけの

to explain those big mysteries.

道具であるということです

And so why is that?

それはなぜか

Well, let's assume for a second that we can represent a muon

ここで ミューオンを ジャイロスコープに

by this gyroscope.

見立ててみましょう

When you spin a gyroscope,

ジャイロスコープを回すと

it wobbles around its axis, just like that.

こんなふうに軸の周りを グラグラと揺れます

And muons have an identical behavior

ミューオンも似たような ふるまいを見せます

when you place them in a magnetic field, they spin and they wobble.

磁場に配置すると 回転運動をしつつ グラグラ揺れるのです

Now whilst they're doing this,

こういう運動をしている間に

the muon will come into contact

ミューオンは他の粒子―

with any and all other particles in the universe,

標準モデルの粒子でも 宇宙にあるそれ以外の

standard model or otherwise.

どんな粒子でも―と接触します

And in fact, it's the interaction of the muon with those other particles

実は ミューオンのグラグラ運動の 速度を決めているのは

that defines how fast it wobbles.

その相互作用なのです

In essence, the more different particles

つまり グラグラ揺れる ミューオンに当たって

that bounce off the muon whilst it is wobbling,

跳ね返る粒子が 多ければ多いほど

the faster it will wobble.

速く揺れます

And so then this is what we want to measure --

そこで私たちが測定したいのは

how fast muons wobble in a magnetic field

磁場において 宇宙の全ての粒子や力と

due to their interaction with all the particles and forces

作用するミューオンが どれだけ速く揺れるか

in the universe.

ということです

Now so far, no new particle or force outside of the standard model

これまで 宇宙の３つの謎を説明できる

that could explain those big mysteries about our universe

標準モデル以外の粒子や力は

has ever been discovered.

発見されていません

But the point to reemphasize

しかし 再度強調しておくと

is that the rate or the speed by which muons wobble

磁場に配置したときに

when we place them in a magnetic field

ミューオンが揺れる 周期と速度は

is directly defined by all the particles and forces in the universe

宇宙にある全ての粒子や力との 接触によって

that it comes into contact with.

決まるのです

And so, if we can measure very precisely how fast they wobble,

つまり ミューオンの揺れの速度を 極めて高い精度で測定できれば

we can then compare that to the theoretical prediction

標準モデルの粒子と力のみと

of how fast they should wobble

作用した場合の速度 すなわち

from just the particles and forces of the standard model.

理論値と比較することができます

And then, if the measurement was found to be different and larger and disagree,

測定値が理論値と異なり より大きいならば

then it would be an indication of new particles or forces

標準モデルには含まれておらず 宇宙の大きな謎を

outside of the standard model

説明できる可能性のある

that could explain those big mysteries about our universe.

新しい粒子や力の存在を 示唆するというわけです

An experiment I work on has done just that.

私が参加している実験で まさにそれが実現しました

This is the Muon g-2 experiment located at Fermilab,

これはシカゴ郊外の フェルミ研究所で行われている

on the outskirts of Chicago.

ミューオンg-2実験です

This ring, which you can see here,

このリングの直径は

is about 20 meters in diameter,

約20メートルで

and it's what's called a storage ring magnet.

蓄積リング磁石と呼ばれるものです

It's a ring in which we store muons inside a magnetic field,

蓄積したミューオンを揺らすため

which causes them to wobble.

リング内は磁場になっています

We then make our measurements of how fast they wobble

そしてミューオンの揺れを測定し

and compare that to the theory.

理論値と比較します

Now, this experiment released its first result in April of 2021,

実験は2021年4月に １回目の結果を発表しました

and the take-home message of this talk

今日みなさんにお伝えしたいメッセージは

is that the result I am presenting to you here today,

私がこれからお見せする ミューオンg-2実験の

from the Muon g-2 experiment,

結果は

is the closest glimpse that we've had to seeing a new particle or force

地球上の研究所で 新しい粒子や力を確認するという成果に

here in a laboratory on Earth.

かつてなく近づいているということです

And this is that result here.

こちらがその結果です

So let me take some time to explain to you what this graph is showing.

このグラフが何を表しているのか 説明してみましょう

On the x-axis are the values for how fast muons wobble

x軸は ミューオンを磁場に配置した際の

when we place them in a magnetic field.

揺れの速度を示しています

The green marker on the left

左にある緑色の点は

is the theoretical prediction for how fast they wobble,

標準モデルのみを考慮した

from just the particles of the standard model,

揺れの速度の理論値で

and the green band defines the uncertainty on that prediction.

緑色の帯はその予測の 誤差範囲を表します

The orange marker on the right is the new experimental measurement

右にあるオレンジ色の点は ミューオンg-２実験の

from the Fermilab Muon g-2 experiment,

新しい測定結果で

and the orange band defines the uncertainty on that measurement.

帯が測定値の誤差範囲を表します

And by uncertainty, I mean we're statistically certain

ここで言う誤差とは 理論値も測定値も

that both the prediction and the measurement,

統計学的に この帯の範囲内に

the value for each should be inside their respective bands.

確実におさまるということです

And what you can see is not only do those bands not overlap,

ごらんのように ２つの帯は重ならないどころか

but they differ by quite a large amount,

かなり離れています

that white gap in the middle indicating a clear disagreement

帯の間の距離が ２つの値の明らかな相違を

between the two values.

示しています

What this means is that when muons are placed in a magnetic field,

これが意味するのは 磁場に配置されたミューオンが

they wobble faster than what the theory predicts.

理論の予測よりも 速く揺れるということです

So all the known particles and forces of the standard model

つまり 標準モデルにある 既知の粒子や力では

have failed to predict how fast muons have wobbled.

ミューオンの揺れ速度を 予測できないということです

And what does this suggest?

ここから何が言えるでしょうか

Well, it suggests that there are new particles or forces

世界的に受け入れられている 標準モデルには含まれていない

that aren’t part of that globally accepted theory

新たな粒子や力があって ミューオンと作用し

interacting with the muons and causing them to wobble faster.

予測より速い揺れを与えているのです

Now, a reason why physicists are so excited about this result

物理学者たちがこうも 興奮している理由は

is that the chance that this result is a fluke, statistically,

この結果が偶然である可能性が

is one in 40,000.

確率としては４万分の１だからです

So that's the same as saying that there's a 99.9975 percent chance

つまり 99.9975%の確率で 新しい粒子や力の作用を

that we've seen the influence of a new particle or force

ここ 地球上の研究所で

here, in a laboratory on Earth.

観測したということです

But a word of caution.

ただ 注意点もあります

Physicists actually set a much stricter threshold

物理学者たちは 発見と呼ぶための閾値を

by which they can claim a discovery,

実はずっと厳しく設定していて

and that is the chance the result is a fluke

結果が偶然である可能性が

cannot be more than one in 3.5 million.

350万分の１以下でなければなりません

And so we haven't reached that discovery threshold yet,

なので発見と呼べる閾値には まだ達しておらず

and so we can't definitively say

新しい粒子や力の作用を

that we've seen the influence of a new particle or force.

観測したと言い切ることはできません

And the reality is that,

現実的には

to reach the one-in-3.5-million threshold,

350万分の１という数字を切るには

there's a lot of work to be done.

たくさんの課題があります

But that work is being done right now

ただ その課題は今も取り組まれていて

and will continue to be done over the coming years.

これからも取り組まれていきます

So what does this all mean?

この実験から言えることは何か

Well, first, any result from the Muon g-2 experiment,

まずは ミューオンg-2実験から どんな結果が出ても

even a result that says there were no new particles or forces,

それが「新しい粒子や力はない」 というものであっても

would be a good result.

良い結果だと言えます

That is science, right?

それが科学というものでしょう

Sometimes, it's not discovering new things,

新しいことを発見するのではなく

sometimes, it's just confirming old things.

既知のものを確認するのも科学です

And even if that were the case,

そのような結果になっても

the by-products of particle physics experiments

素粒子物理の実験が生んだ副産物は

have been advancing human civilization for much of the past 100 years.

過去100年の大半の期間 文明を発達させてきました

Modern electronics, the internet, satellite navigation --

最新の電子工学にインターネット 衛星ナビゲーション

these are all by-products of particle physics experiments or endeavors.

これらは全て 素粒子物理の 実験や試みの副産物です

And there's no telling

ミューオンg-2のような

what experiments like the Muon g-2 experiment

実験が 将来どのように役立つかは

could do for us in the future.

誰にも分かりません

But if that were the case, and we found no new particle or force,

でも 新しい粒子や力が 見つからなければ

then we wouldn't be able to explain those big mysteries about our universe --

宇宙についての ３つの謎は説明できません

what is dark energy, what is dark matter

ダークエネルギーとは ダークマターとは

and where did all the antimatter go?

反粒子はどこに行ったのか

Whatever the outcome,

結果がどうあれ

the Muon g-2 experiment will keep releasing results,

ミューオンg-2実験は 今後も数年間

in the next few years,

測定結果を発表し

that will continue to test our understanding

宇宙の構造に関する私たちの理解を

of the fabric of reality.

試すことになるでしょう

I, for one, am really excited about it,

私自身とても楽しみですし

and I really hope you stay tuned with us

みなさんにもぜひ 新しい粒子や力が

to find out if we've definitively discovered a new particle or force,

本当に発見されたのか 見届けてほしいと

for the first time.

思います

Thank you very much.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）