物理学は、自然界の最も基本的な謎を探るものなので、物理学者が宇宙に関する非常に基本的な質問を心に抱いていても不思議ではありません。 最近、Symmetry Magazine (米国の政府出資の 2 つの物理学研究所が発行) は、素粒子物理学者のグループに、物理学における未解決の質問で、最も答えを望んでいるものを挙げるように尋ねました。 以下は、彼らが共有した難問のサンプルです：

「我々の宇宙の運命はどうなるのか」

詩人ロバート・フロストは、世界は火か氷で終わるのか、と有名な質問をしましたが、物理学者はいまだにこの質問に答えることができません。 宇宙の未来-カリフォルニア大学リバーサイド校のスティーブ・ウィンペニーによって名付けられたこの問いは、現時点では未知の存在であるダーク エネルギーに大きく依存しています。 ダークエネルギーは、宇宙の加速度的な膨張に関与しているが、その起源はまったく謎である。 もし、ダークエネルギーが一定であれば、将来、宇宙はどんどん膨張し、やがて銀河がばらばらになり、宇宙が荒れ果てたように見える「ビッグフリーズ」が起こる可能性があります。 もし暗黒エネルギーが増加すれば、この膨張はさらに激しくなり、銀河と銀河の間だけでなく、銀河の中の空間も膨張し、銀河そのものが引き裂かれる「ビッグリップ」と呼ばれる運命になるかもしれない。 また、ダークエネルギーが減少して、内側に引っ張られる重力に対抗できなくなり、宇宙は「ビッグクランチ」と呼ばれる崩壊を起こすという選択肢もあります。 つまり、どちらに転んでも、私たちは絶望的なのです。

「ヒッグス粒子は全く意味がない。 この質問をしたピッツバーグ大学のリチャード・ルイス氏は、この質問の口調は生意気だと言いますが、昨年、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) で発見された有名な粒子の性質について、非常に現実的に理解されていないことを指し示しています。 ヒッグス粒子は、他のすべての粒子がどのようにして質量を得たのかを説明するのに役立ちますが、他にも多くの疑問を投げかけています。 例えば、ヒッグス粒子はなぜそれぞれの粒子と異なる相互作用をするのか。トップクォークは電子よりもヒッグスと強く相互作用し、電子よりもはるかに大きな質量を持つ。 これは、標準理論における “非ユニバーサルな力 “の唯一の例です」とルイスは言う。 さらに、ヒッグス粒子は自然界で発見されたスピンゼロの最初の基本粒子である。 「これは標準模型素粒子物理学において全く新しい分野です」とルイスは言う。 「なぜ宇宙は生命が存在できるほど絶妙なバランスを保っているのか」

確率から言えば、私たちは本当はここにいないはずなのです。 銀河、星、惑星、そして人間は、宇宙がその初期にちょうどよい速度で膨張したときにのみ可能なのです。 この膨張は、暗黒エネルギーが外に向かって押し出す力と、暗黒物質と呼ばれる目に見えない物質が支配する宇宙の質量が内に向かって引き寄せる力との戦いに支配されている。 もしこれらの量が違っていたら、例えば、宇宙誕生後に暗黒エネルギーがほんの少し強かったとしたら、宇宙は急速に拡大しすぎて、銀河や星が形成されなかっただろう。 しかし、暗黒エネルギーがもう少し少なければ、宇宙は自ら崩壊してしまうだろう。 では、なぜダークエネルギーが完璧なバランスで存在し、私たちの住む宇宙を作り出しているのでしょうか？ 「そのバランスが存在すべき根本的な理由を私たちは知りません」とランバーグは言う。 「宇宙の暗黒エネルギーの量は、物理学の歴史の中で最も絶妙に微調整された数値であることは間違いありません」

「天体ニュートリノはどこから来るのか」

非常に高いエネルギーのニュートリノは、宇宙線を呼ばれる高速荷電粒子が、宇宙を貫く宇宙マイクロ波背景放射中の光の粒子（光子）と衝突して生じることが予測されます。 しかし、何がこのプロセスを動かすのか、また宇宙線がどのように加速されるのかは未解決の問題です。 有力な説は、銀河の中心にあるお腹を空かせた超巨大ブラックホールに物質が落ち込むことで宇宙線が発生するというものだが、この説を証明するものはまだない。 その結果生じるニュートリノは非常に速く移動し、その小さな粒子の一つ一つが速球野球のボール（原子の数は数十億個）と同じだけのエネルギーを持っていると考えられている。 この問題を提起したシカゴ大学カブリ宇宙物理学研究所のアビゲイル・ヴィエレッグは、「我々は、これらがどこから来るのか理解することさえできません」と言う。 「もしそれがわかれば、これらの粒子を非常に高いエネルギーに加速している源について知ることができます」

「なぜ宇宙は物質でできていて、反物質ではないのか」

反物質は、逆日歩の物質と同じで、惑星や星や銀河を構成するものと同じ性質を持っていますが、ある重要な部分が異なっています-その電荷です。 しかし、ビッグバン直後には、反物質と物質が互いに消滅し、わずかに物質が残っただけだったのです。 なぜ反物質がこの綱引きに負けたのかは、誰にもわからない。 科学者たちは、この格差を説明するために、粒子が反物質ではなく物質に崩壊することを好む、電荷パリティの侵害と呼ばれるプロセスの探索に躍起になっている。 「我々は、ニュートリノ振動がニュートリノと反ニュートリノの間で異なるかどうかを確認しようとすることに特に興味を持っています」と、この疑問をSymmetryと共有したコロラド大学のアリシア・マリノは言う。 “これは、これまで見られなかったことですが、次世代の実験がより詳細に見てくれることを期待しています。”

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