質疑応答は、感染症対策として、参加者に質問を付箋に書いてもらい司会が代読して行いました（図）。数多くの質問を寄せられましたが、当日は時間の都合で読み上げられなかった質問もありました。いただいたアンケートの記載に、他の質問がどのようなものだったか知りたい旨のコメントがあったことから、改めて花垣教授が全ての質問にお答えします。

 

質疑応答の際に読み上げた質問（原文のまま掲載しています）

質問1 暗黒物質粒子は何種類かあるのですか？

暗黒物質があることはわかっていますが、正体はまだわかっていません。正体がわからないことには、詳しい性質や、何種類の粒子が暗黒物質になっているのか等、わかりません。現状、科学者はその正体解明の研究を進めているところです。

質問2 この加速器で陽子の衝突以外にどんな実験を実施していますか？

LHC実験は多くの時間を陽子・陽子衝突に費やしています。暗黒物質の正体解明のほか、2012年に発見されたヒッグス粒子の性質の精査や、未知の重粒子探索などの素粒子物理実験を行っています。それ以外には、鉛の原子核のように、重い元素の原子核の衝突実験も行っています。こちらは、暗黒物質などの素粒子物理ではなく、クォーク・グルーオンプラズマと呼ばれる状態を作りだして、強い相互作用の研究を行っています。

質問3 素粒子物理学の研究者は、日々どのような研究をしているのでしょうか？

一言で素粒子物理学といっても研究対象は千差万別で、テーマがあまりに多すぎるのでここでの説明は割愛させてください。また素粒子物理学者は理論研究者と実験研究者に分かれています。理論研究者は、仕組みが解明されていない現象を説明できる仮説を立てるために、様々なアイデアを提案し、そのアイデアをもとに実際に計算してみて（紙と鉛筆を使うこともありますが、コンピュータを使った数値計算も多用します）、その仮説によって現在観測されている現象を説明できるかどうか考えます。実験研究者は、理論研究者の提案した仮説をどうやれば検証できるか考え、そのための実験装置を考案開発して実験を行い、理論仮説を検証します。また、様々な実験や観測を通して、仕組みが解明されていない謎の現象を探し出し、新たな研究テーマを見つけ出します。

質問4 研究者になるにはどうしたらいいんですか。

難しい質問ですね（笑）。私にもわかりません。。。様々な条件が必要だと思いますが、一番重要なのは、どれだけ夢中になれることがあるか、その夢中になったことをどれだけ突き詰めて考えられるか、ということではないかと思います。寝るのも忘れて毎日没頭できる、それも何年間も没頭できることを見つけられるかどうか、それが研究者になれるかどうかの鍵のような気がします。

質問5 加速器では大変大きなエネルギー（電力）を使うそうですが、粒子がぶつからなかったビームはどうなってしまうのですか？どうやって貯めておくのでしょうか。回収するのでしょうか。

粒子同士を衝突させる加速器には2種類ありまして、LHCのような円形加速器は、粒子が衝突しなかったら、そのまますれ違って円形加速器の中を回り続け、一周してまた次の衝突を目指します。ですので、回収はしないで当たるまでぐるぐる回り続けます。円形加速器に対して線形加速器というものもあります。線形加速器は加速器が直線状で、直線の両端から粒子を加速させて中央で衝突させます。衝突しなかった粒子は、ビームダンプと呼ばれる物質に当たって止められます。ビームダンプでは運動エネルギーが熱に変わりますので、入射する粒子のエネルギーと数に応じて十分に冷却できるようになっています。円形加速器でも、運転を止めるときには、線形加速器同様ビームダンプにビームを当てて粒子を止めます。

質問6 高エネルギーの粒子や電磁波で装置が壊れにくくするためにどのような工夫がされていますか

高エネルギーの粒子や電磁波（まとめて放射線と呼びます）から装置を守るには、物質で遮蔽（しゃへい）するしかありません。しかし、検出器自身は放射線を検出測定するものなので遮蔽することはできません。遮蔽すると、たとえば、暗黒物質からの信号である粒子が届かなくなってしまいますので。そこで、検出器を作る際には、あらかじめ放射線に強い材料を選びます。放射線に強い物質がセンサーとして使えるようにするための技術開発や、放射線に強い素子を探し出して電子回路に使用するなどしています。

質問7 ダークマターの候補として具体的にどのようなものがありますか？

候補となる仮説は百花繚乱で、候補をあげるときりがありません。裏を返すとそれくらい興味深い研究テーマなのに、まだ正体がわかっていないということになります。候補が多いので、何が有力かと言われると研究者自身の好みによってしまいますが、私が候補を一つあげるとしたら「超対称性粒子」というものをあげます。超対称性理論という仮説では、既知の素粒子それぞれに超対称性パートナーとなる未発見素粒子（＝超対称性粒子）の存在を予言しています。超対称性粒子の中の1つが暗黒物質の有力候補の1つとなっています。

質問8 ダークマターの相互作用の検出に、他の原子ではなく液体のキセノンを使うのは何故ですか

よい質問ですね。暗黒物質は正体不明のためにどういう相互作用をするかわかっていません。もしかしたら、重力以外の相互作用をしないかもしれませんし、その場合は、実験装置を使って直接観測するのはほぼ不可能になります。相互作用の詳細がわからないので、観測しようとすると単純に考えられるのは、暗黒物質がぶつかる標的を大きくすることです。観測装置を大きくすること、そして、標的となる原子核の数が多いものを選びます。さらに、暗黒物質自身は光などの検出の手がかりとなる信号を出さず、実際に信号として検出するのは暗黒物質との相互作用で反跳（粒子が崩壊して別の粒子が生成される現象）を受けた原子核からの信号になります。この反跳を受けた際の信号の捉えやすさも考慮して液体キセノンを使っています。他にも候補となる原子はあり、どのような物質を標的として選ぶかは実験家の腕の見せ所ともいえます。

質問9 はながき先生はKEKで働く前はどうしていたのですか？またどうして物理学者になろうと思ったのですか？

大学院で博士の学位を取得後、いくつかの研究機関で様々な研究をしました。1つの研究機関でずっと同じ研究を続ける研究者もいますが、私はその時々で一番面白そうと自分で感じる研究をやってきて、そのために研究機関も変えてきました。学位取得後は、アメリカの大学、アメリカの研究所、日本の大学、そしてKEKと移り変わってきました。研究者になろうと思ったのは、大学院の修士課程時代に研究に触れてみて単純に面白いと思ったからです。大学の学部までは、あくまで勉強で、それはすでに誰かが知っていることを学ぶものです。自分が知らないことを学ぶことそれ自身はそれで面白いですが、研究というのは世界中の誰も知らないことを、たとえ些細なことであっても自分の力で解明するということで、その面白さは私にとっては格別でした。

質疑応答の際に読み上げられなかった質問（原文のまま掲載しています）

質問1 （素粒子物理学の研究者は日々どのような研究をしているのでしょうか？）役割分担などもあるのでしょうか。←CERNでは3000人いるとのことですが、

素粒子物理学の研究対象は様々で、そのテーマに応じて研究のスタイルも違います[「質疑応答の際に読み上げた質問」の質問3への回答をご参照ください]。CERNでのLHC実験に関していえば、役割分担があります。巨大な装置なので、設計、開発、製造、保守運用、データ解析、あらゆることが分担になります。イメージとしては、会社の組織のようなものがあり、誰がどういうことをやるのかをまとめていくのが実は大変です。会社と違って上司の命令で動くわけではなく、自由意志を持った研究者の役割をすり合わせるのは非常に難しいです。なにしろ、研究者というのは、自分が興味を持ったことしかやらない人種なので。

質問2 ダークマターはキセノンもすりぬけてしまわないですか？

暗黒物質は重力で相互作用することはわかっていますが、それ以外にどういう相互作用をするかはわかりませんので、そういう可能性はあります。いずれにせよ、キセノンと相互作用するとしてもその相互作用は非常に微弱で、ごくまれにしか反応しないと思っていますので、暗黒物質との反応を見つけるためには、装置を大型化して暗黒物質の標的となるキセノンの量を増やすことが重要です。

質問3 ダークマター粒子が重すぎるとビッグバンの元素合成に支障が出る感じがするのですがダークマター粒子に質量の上限はありますか

暗黒物質の相互作用は弱いために、元素合成の議論からは暗黒物質の質量に制限はつきません。元素合成の議論から推測できることは、宇宙に存在する既知の粒子の総量です。暗黒物質の質量に対する上限を言うのは難しいです。というのは、暗黒物質がどういう性質のものかによって、質量が桁違いに変わってくるからです。それも1桁や2桁ではなく、30桁くらいです。暗黒物質がどういう素性かを仮定（＝理論的仮説）することで、初めて質量に制限がつきますが、理論的仮説が無数にあるのが現状です。逆に言うと、理論的仮説を1つ選べば質量の上限（と下限）はだいたい決まります。

質問4 花垣先生がダークマターに興味をもったきっかけは何ですか？

私自身は、暗黒物質に興味をもったというよりも、超対称性理論というものに興味があり、その超対称性理論が存在を予言する未発見粒子が暗黒物質の有力候補であることから、暗黒物質との関わりが生まれました。超対称性理論という仮説が実証されると、暗黒物質の解明だけでなく、素粒子物理学上の様々な重要な問題が解決できるため、私だけでなく多くの素粒子物理研究者が超対称性理論というものに興味を持っています。

質問5 液体キセノンの入っている容器の大きさはどのくらいですか？

うーん、これは私わかりません。ということで、調べてみました。液体キセノンを使って暗黒物質を探索する実験は、実は世界各地で行われているのですが、Phantom of the Universeの映像の中で紹介されていた実験装置は、Luxグループという研究グループの装置で、容積にして260立方メートルだそうです。液体キセノンの重さは370kgだそうです。寸法はすぐにはわかりませんでした。

質問6 反応を待つのに他の原子でなくキセノンを利用しているのはなぜですか。

「質疑応答の際に読み上げた質問」の質問8への回答をご参照ください。

質問7 ダークマター量子の下の物質があるか、または、あると考えられているのか（陽子だったらアップクォーク２つとダウンクォーク１つみたいなこと）

暗黒物質の正体は、様々な理論的仮説で予言されています。もしかしたら、複数の素粒子からなる複合粒子の可能性を示唆する仮説もあるのかもしれませんが、私の知る多くの仮説では素粒子であることを仮定しています。ですが、私たちは現在クォークが最も小さい根源的な素粒子と考えていますが、歴史を振り返ると原子の下層構造である原子核が見つかり、原子核のさらなる下層構造の陽子や中性子が見つかり、さらには陽子や中性子の仮想構造であるクォークの存在が見つかったのですから、クォークのさらなる下層構造がある可能性がないとは言い切れません。現在の実験結果ではその可能性は小さいと考えていますが、科学は不変のものではなく、その時代の知識で最も合理的な解釈をしているだけなので、常にその時代の常識を疑うことが重要です。ですから、暗黒物質の正体を考えるときにも、ご指摘のように多くの可能性を考えることが重要で、複合粒子の可能性を排除しないほうよいのかもしれません。ただし、複合粒子となるには、元となる素粒子同士を繋ぎ止める力が必要になります。暗黒物質同士に作用する力が存在することになり、そういう力が存在すると、たとえば銀河団の衝突のときに暗黒物質同士の衝突も起こってしまうので、Phantom of the Universeの映像や私の解説で見せたように暗黒物質だけがすり抜けてしまう、という現象を説明するのが難しくなります。

質問8 暗黒物質の説明をしていただきましたが、暗黒エネルギーは何を表しているのですか？

宇宙が何からできているかを調べたところ、クォークや電子の仲間、つまり私たちが既知の素粒子だけでは、宇宙の全エネルギー（質量と置き換えて考えていただいても結構です）を説明できないことがわかりました。宇宙の全エネルギーを説明するには、既知の素粒子のほかに、暗黒物質と暗黒エネルギーというものが必要なことがわかりました。暗黒物質は「物質」という名が示しているように、粒子の性質を持ちます。たとえば、ある空間に一定数の粒子が存在すると仮定して、宇宙の膨張に伴い空間が広がると粒子の数密度は下がります。シリンダー内に気体を入れてピストンを引く（体積を増やす）と気圧が下がるのと同じことです。ところが、暗黒エネルギーは、空間が広がっても圧力が変わりません。粒子として振る舞っていないために、暗黒物質とは区別されます。さらに、現在の宇宙観測から、宇宙が膨張する速度が徐々に増えていることがわかっているのですが、膨張を加速させるためには何者かが（物質同士を引き付け合う）重力に反発して宇宙を広げようとしないとなりません。暗黒エネルギーがその役割を果たしているのではないかと想像されています。が、今のところ、観測事実が少なくて、その性質は暗黒物質よりもさらに謎に包まれています。

質問9 ダークマターがキセノン原子核と作用するのはどのような理由か

[「質疑応答の際に読み上げた質問」の質問1と質問8への回答をご参照ください]　暗黒物質の正体がわかれば、どのような相互作用なのかわかります。Phantom of the Universeの映像でお見せした実験で期待しているのは、4つの力のうちの弱い相互作用程度の弱さの相互作用ですが、そのような相互作用があるのかどうかはもちろんわかりません。

質問10 １．ILC実験にどうつなげるか？

ILC実験は、ヒッグス粒子の性質の詳細研究が得意です。暗黒物質の探索も可能ですが、探索できる質量の範囲がLHC実験に比べて限られています。

質問11 ２．LHCの改良計画（高輝度化とは？）

加速器の改良で陽子同士の衝突頻度を上げて、同じ時間実験をすると今のLHC実験よりも10倍のデータ量が得られます。たくさんのデータがあると、あらゆる測定の精度が上がりますし、これまで以上に重い未知粒子（暗黒物質を含む）を探索できます。重い粒子は一般的には生成確率が低く稀にしか生成されないので、たくさんデータがあればこれまでに見つけていない重い粒子を見つけられる可能性が高まります。

質問12 ダークマターやダークエネルギーはアインシュタインの重力方程式をリーマンテンソルやリッチテンソルを用いて修正すれば事足りる可能性はないのか

リーマンテンソルやリッチテンソルの修正というのが具体的にどういうことかわかりませんので、重力理論（一般相対性理論）の修正で、暗黒物質や暗黒エネルギーを説明できないか？という質問としてお答えします。様々な銀河、もしくは銀河団の観測により、暗黒物質の量は銀河ごとに異なることがわかってきています。重力理論に変更を加えると全宇宙で一様に重力の法則が変わってしまい、銀河ごとの違いを説明できなくなってしまうので、重力理論の修正では暗黒物質を説明できないように思います。暗黒エネルギーに関しては、宇宙項、もしくは宇宙が持つ真空のエネルギー密度と解釈してもよいのかもしれませんが、それでは「宇宙が持っている性質である」と言うだけになり、それが何かという議論になりません。暗黒エネルギーが何かを研究するということは、重力理論の修正というよりも、宇宙項の起源が何であるかを突き止めようとしている、と言い換えてもよいのかもしれません。

質問13 アクシオンはダークマターの候補になり得ますか。

編注：アクシオンは未知の素粒子の一つです。

候補になります。超対称性理論[他の質問への回答をご参照ください]に代表される仮説の多くは、ヒッグス粒子程度の質量で、かつ、相互作用が弱い相互作用程度の強さであることを予言しています。また、アクシオンと一言で言っても、どのような性質を持つかその詳細は理論的仮説ごとに異なります。ただし、アクシオンの質量は、様々な実験結果や宇宙観測の結果から、もし存在するとしても非常に軽くなければならないということはわかっています。

質問14 またLHCでアクシオンの探索はできますか

[上の質問への回答をご参照ください] アクシオンにも様々な種類があり、LHCで探索できるアクシオンはAxion-like particle（アクシオンのような粒子）と呼ばれていまして、元々の理論仮説であるアクシオンとは性質が微妙に異なります。既知の粒子の崩壊により「アクシオンのような粒子」が生成され、その粒子がさらに既知の粒子に崩壊する、というような一連の粒子の崩壊チェーンを探索します。

質問15 重力子（もし見つかったとして）とHiggs粒子との関係はあるのでしょうか。

ヒッグス粒子が関与するのは、物の動かしにくさの指標である「慣性質量」の起源です。一方、体重計で測る体重など重さの指標であるところの質量は、地球が物体を引きつける力の強さを表すもので「重力質量」と呼ばれます。前者はヒッグス粒子が起源で、後者は重力子（グラビトン）と呼ばれる未知の素粒子が力を媒介していることを考えると、グラビトンが発見されてもヒッグス粒子とは無関係のように思えます。ですが、物理学には等価原理というものがあり、慣性質量と重力質量は物理学上等価に扱ってよい（区別できない）ことになっています。本来は別物である、ヒッグス粒子が起源の慣性質量と、グラビトンが起源の重力質量がなぜ等価なのは大いなる謎です。偶然一致しているとは考えにくいので、何らかの秘密が隠されていると考えるのが自然です。

質問16 暗黒物質という未知のものですが、何を発見したら（あるいはどんな現象が起きたら）、暗黒物質をみつけたということになるのですか？

Phantom of the Universeの映像中で紹介したような、地下で暗黒物質と既知の物質（たとえば液体キセノン）とが反応するのを待つ実験では、反応が起こること、すなわち反応で得られる信号が出るのをひたすら待ちます。液体キセノンの実験だと、暗黒物質との反応で反跳を受けたキセノン原子核が、光と電子を出します。単に光と電子を出すのではなく、その光と電子には暗黒物質との反応のときのみ得られる特徴があるので、その特徴を持った光と電子の信号を捉えられれば暗黒物質を見つけたと言えます。LHC実験の場合は、エネルギーアンバランスを持つ事象を見つければよいのですが、ニュートリノのように既知の粒子でもエネルギーアンバランスを作ることがあるので、既知の粒子が作るエネルギーアンバランス以上の大きさのエネルギーアンバランスを捉えることが暗黒物質の発見に必要となります。

質問17 エネルギーアンバランスが暗黒物質によるものではなく、QGPによるJetquenchingでQGPのそんざいをしさするかのうせいは？

LHC実験で暗黒物質を探索する場合には陽子陽子衝突によるデータを使います。Jet quenchingなどクォーク・グルーオン・プラズマの研究をする際の重イオン衝突のデータとは異なるものです。陽子陽子衝突ではjet quenchingなど、クォーク・グルーオン・プラズマ特有の現象を観測していません。また、jet quenchingで見ている2つのジェットのエネルギーの非対称性は、ジェットを作る種であるクォークやグルーオンがクォーク・グルーオン・プラズマ中でエネルギーを失っていることを示していますが、ジェットを作らないような低エネルギーハドロンの運動量を全て観測して足しあげることができれば（私自身は重イオンデータを見たことがないのでできるのかどうか知りません）、運動量保存は必ず満たさなければならないのでエネルギーアンバランスにはならないはずです。

講演会に参加し、多くの質問を寄せていただき、ありがとうございました。