陽子崩壊は存在するのか、そしてそれをどのように探すのか？これは最近提出された研究が取り組もうとしている問題であり、国際的な研究チームが月のサンプルを使用して陽子崩壊の証拠を探すという概念を調査している。陽子崩壊は、これまで観測されていない仮説的な粒子崩壊の一種であり、粒子物理学者にとって依然として謎である。この研究は、物理学全体の長年の謎を解決する可能性があり、自然法則と深層レベルの新しい研究を可能にするかもしれない。
ここで、Universe Todayはこの研究について、INFN Ferrara Divisionの宇宙論グループのポスドクフェローであるPatrick Stengel博士に話を伺い、研究の動機、重要な結果、陽子崩壊を探す意義、陽子崩壊の存在を確認することの意味、およびその概念を現実にする方法について議論する。では、この研究の動機は何か？
Stengel氏はUniverse Todayに対し、この研究は2018年頃に主任著者であるSebastian Baum博士と他の科学者たちによる、広範な地質学的時間枠にわたる粒子を調べるための提案された方法である「古物質検出器」を使用するという議論から始まったと述べている。これが、古物質検出器の可能性を調査するいくつかの論文に興味を持った研究共同著者のJoshua Spitz博士と彼のPhD学生との議論につながり、古物質検出器が陽子崩壊の存在を発見するためにどのように使用できるかについて話し合った。しかし、研究チームは、大気ニュートリノのために地球上で陽子崩壊を見つけることは不可能であると議論する研究を発表した。
「大気ニュートリノ論文を終えてから約1年後、Spitz氏は月の鉱物サンプルを検討することを提案しました。大気がないため、月の宇宙線誘起ニュートリノフラックスは地球と比較して非常に抑制されています。古物質検出器における宇宙線誘起ニュートリノ相互作用の対応する抑制により、陽子崩壊の探索が少なくとも原理的には可能となります」とStengel博士はUniverse Todayに語った。
この研究では、研究者たちは月面の5キロメートル（3.1マイル）以上の深さから鉱物サンプルを収集し、陽子崩壊の存在を分析するという仮説的な概念を提案した。研究者たちは、これらの月の古物質検出器サンプルが10³⁴年までの陽子寿命を示す可能性があると指摘している。参考までに、宇宙の年齢は約13.7 x 109年である。では、この研究の最も重要な結果は何か？
Stengel博士はUniverse Todayに対し、「放射性バックグラウンドを軽減するために十分に放射純度が高く、他の宇宙線バックグラウンドからのシールドのために十分な深さに埋まっている月の鉱物サンプルに対して、古検出器の陽子崩壊に対する感度が、次世代の従来の陽子崩壊実験と競争する可能性があることを示しています」と語った。
前述のように、陽子崩壊は仮説的な粒子崩壊の一種であり、1967年にソビエトの物理学者でノーベル賞受賞者のAndrei Sakharov博士によって最初に提案された。その名が示すように、陽子崩壊は陽子が原子よりも小さな粒子、つまり亜原子粒子に崩壊することが仮定されている。最近の研究およびさまざまな以前の研究が示すように、陽子崩壊はまだ発見または観測されていない。しかし、陽子崩壊は、量子トンネル効果がそのプロセスの一部であると提案されており、我々の宇宙や生命の起源をよりよく理解するための潜在的な可能性を持っている。では、陽子崩壊を探す意義は何か、そしてその存在が確認された場合、科学および特に粒子物理学の分野にどのような影響を与えるのか？
Stengel博士はUniverse Todayに対し、「陽子崩壊は、標準モデル（SM）を超えた粒子物理学の理論の一般的な予測です。特に、陽子崩壊は、標準モデル相互作用を媒介するすべての力を非常に高エネルギーで1つの力に結びつけることを試みるいわゆる大統一理論（GUT）の唯一の低エネルギー予測の1つである可能性があります。物理学者たちは50年以上にわたり、陽子崩壊を探すための実験を設計し構築してきました」と述べている。
Stengel博士は続けて、「鉱物検出器やより従来の実験であれ、陽子崩壊の発見は、科学全般および特に粒子物理学にとって驚くべき影響を持つでしょう。このような発見は、標準モデルを超えた粒子物理学の初めての確認となるでしょう。陽子崩壊信号がどれだけよく特徴付けられるかに応じて、自然の基本理論について何かを学ぶことができるかもしれません」と述べている。
前述のように、この研究が提案する古検出器を使用して月で陽子崩壊を検出するという仮説的な概念は、月の地殻の少なくとも5キロメートル（3.1マイル）下からサンプルを収集する必要がある。参考までに、人類が月面の地下から収集した最深のサンプルは、アポロ17号の宇宙飛行士によって取得されたドリルコアサンプルであり、深さは約300センチメートル（118インチ）であった。
地球では、最も深い人間が掘った穴はロシア北部のコラ超深度掘削孔であり、真垂直深度は約12.3キロメートル（7.6マイル）であり、いくつかの穴を掘削し、達成するのに数年を要した。研究では、月での古物質検出器を使用した提案された概念は「明らかに未来的」であると述べているが、この概念を未来的から現実的にするためにはどのようなステップが必要か？
Stengel博士はUniverse Todayに対し、「粒子物理学に関連する専門分野からあまり逸脱しないように、月でそのような実験を実行する実際の物流についてはほとんど推測しないようにしました。しかし、各国のさまざまな科学機関が月への帰還を検討し、広範な実験プログラムを計画しているため、この概念はタイムリーであると考えました」と述べている。
Stengel博士は続けて、「述べたように、鉱物サンプルは月の地殻の少なくとも約5キロメートルの深さから抽出する必要があります。したがって、そのような深さに到達することができる掘削リグが月に配達され、運用される必要があります。この物流の課題は非常に困難に思えますが、たとえばNASAはアルテミス計画の一環として最終的に月に十分な大きさのペイロードを配達することを構想していることを指摘します」と述べている。
前述のように、この研究はNASAのアルテミス計画が科学的な目的で月面に人類を50年以上ぶりに戻す計画をしている時期に行われたものであり、月面に最初の女性と有色人種を着陸させることを目標としている。さらに、古検出器に対する科学的関心が高まる中で、この研究が提案する概念は、陽子崩壊を発見するだけでなく、我々の宇宙における位置をよりよく理解するために科学的に有益であることが証明される可能性がある。最後に、この提案された概念を実現するためには小さなサンプルだけで十分であることが判明した。
Stengel博士はUniverse Todayに対し、「陽子崩壊に対する古検出器の暴露は数十億年にわたるため、従来の実験と競争するためには1キログラムのターゲット材料で十分です。科学的な動機と人類を科学的な目的で月に戻す最近の推進力を組み合わせて、古検出器は陽子崩壊の探索における最終的なフロンティアを表す可能性があると考えています」と述べている。
古物質検出器は今後数年および数十年で科学者たちが陽子崩壊を発見するのにどのように役立つだろうか？それは時間が教えてくれることであり、これが科学である理由だ！
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