物質って、何だろう？　物質を細かく分解していくと、何が見えてくるんだろう？　そしてまた、私たちが住んでいる地球、太陽系、銀河系、そのすべてを含む宇宙とは何か？　「高エネルギー加速器研究機構」、略して「KEK」は、極小の世界から広大な宇宙まで、科学の謎に切り込む最先端の研究施設の一つです。今回の宙博ジャーナルでは、つくば市にあるKEKにお邪魔をして、素粒子研究の目的や成果、今後の計画などをおうかがいしてきました。

KEKは1971年4月、旧文部省直轄の大学共同利用機関の第一号として筑波研究学園都市に誕生しました。加速器のような大がかりな実験施設は、とても一つの大学が単独で所有できるものではありません。そこで国が国費を投じて実験のインフラを整え、いろんな大学の研究者が共同で使えるようにしたのです。現在、筑波には一周3㎞という巨大な加速器「Bファクトリー」と、放射光源加速器「フォトンファクトリー」があり、さらにKEKの東海キャンパスには最新の大強度陽子加速器「J-PARC」があります。いずれも世界最高峰の性能を誇る実験施設であり、さまざまな研究分野で活躍しています。

[KEK上空]	[KEKB]

ところで、そもそも加速器とは何でしょう。何を加速し、何を調べるものでしょうか。KEKの森田洋平広報室長におうかがいしました。

「加速器は、『陽子』や『電子』といった目で見えない小さな粒子を加速する機械です。物質を細かく分けていくと、分子になります。その分子は原子が集まってできているものです。その原子をさらに細かく見ていくと原子核と電子になり、原子核を構成している粒子の一つが陽子です。こういった物質を構成している小さな粒子を強力な電磁波を満たした加速空洞という装置によって光速に近いスピードまで加速し、標的にぶつけたり、粒子同士を衝突させたりして、さまざまな現象を観測するのが加速器なのです」

そもそもKEKの加速器が誕生した背景には、朝永振一郎ら日本の物理学者の活躍がありました。1960年代、敗戦から立ち直りつつある日本では、朝永博士のノーベル賞受賞を契機に、科学分野で世界のトップを目指そうという機運が一気に高まり、欧米に負けない高性能な加速器の建設に着手したのです。科学は理論だけでは成り立ちません。理論を裏づけるためには実験が必要で、そのために作られた最新の施設がKEKの加速器だったのです。

つくば市にある「Bファクトリー」は、現在、世界最高のビーム衝突性能を誇っています。ここでは一周3㎞の加速器で加速した「電子」と「陽電子」を衝突させて、B中間子という粒子を作りだし、その粒子が崩壊する過程を調べるという実験を行いました。詳しい説明はここでは省きますが、この電子・陽電子の衝突実験の結果から、「CP対称性の破れ」という理論が実証され、2008年の小林誠・益川敏英、両博士のノーベル賞受賞につながりました。Bファクトリーはノーベル賞の理論を実証した加速器として、一躍世界に名を馳せました。

[Belle測定器]

 また、つくば市の「陽子加速器」を使って、ニュートリノという粒子を作りだし、250㎞離れた岐阜県神岡にある「スーパーカミオカンデ」に打ちこむという実験が、1999年から2004年にかけて行われました。この実験はKEKのＫと、神岡のKを取って、「K2K（K to K）」実験と呼ばれています。ニュートリノは原子よりはるかに小さい粒子なので、地面の中を素通りして、つくばから神岡まで届くのです。

K2K実験では、陽子加速器で人工的に作り出した「ミュー型ニュートリノ」が、スーパーカミオカンデに到達するまでの間に「タウ型ニュートリノ」に変化するという現象を捉えました。ニュートリノが別のニュートリノに変わることを「ニュートリノ振動」といいますが、この現象が起きるためにはニュートリノに質量があることが必要です。スーパーカミオカンデが自然界にあるニュートリノでこの現象を観測していましたが、人工的に作りだしたニュートリノで実証したのはK2K実験が初めてです。

さらに、昨年の春からは、東海キャンパスにある大強度陽子加速器「J-PARC」で作りだしたニュートリノをスーパーカミオカンデに打ちこむ実験が始まりました。東海のTと神岡のKを取って、「T2K」と呼ばれるこの実験は、K2Kをさらにパワーアップしたもので、大量のニュートリノを打ちこむことによって、より精密な観測を可能にするとともに、K2Kでは見えなかった新たな現象を探っていきます。

[J-PARC]

このようにKEKは、さまざまな加速器を駆使した実験によって、最新の理論に裏づけを与え、素粒子物理学の進歩に貢献してきました。ノーベル賞理論を実証した「Bファクトリー」は、今年6月30日ですべての実験を終了し、現在は休止状態に入っています。今後はパワーアップのための改造を行い、４年後にはふたたび世界最強のビームを使った衝突実験を開始して、誰も見たことのない未知の研究領域へと切り込んでいく予定です。

世界の素粒子研究を加速するKEK、次回の宙博ジャーナルでは、極小世界の「素粒子研究」がどのような形で壮大な「宇宙の研究」に結びつくのか、また、社会や暮らしに役立っているのか、そのあたりを中心にご紹介していきます。

写真提供：高エネルギー加速器研究機構

(8月25日　4段落目に訂正および加筆修正)