橋本　今回は理論センターの向田享平さんに、どんな研究をやっているか、どんなことに興味を持っているかについて話を伺おうと思います。よろしくお願いします。

向田　よろしくお願いします。

橋本　さっそくですけど、向田さんの研究は宇宙の一番初めの話。宇宙がとても熱かったころの話ですね。ビックバンというテーマの中で向田さんがもっとも興味を持っているのはどういう部分ですか？

向田　例えば暗黒物質とかインフレーションとか、バリオン非対称性とか、初期宇宙の面白い物理はいろいろありますが、改めて自分に問い直してみると、どっちかというとある特定の現象というより、ミクロな極致として発展した素粒子論を使って、考えうる限り最もでかい宇宙を考えるっていうことそのものですね。漠然としたわくわくした気持ちもあるし、物理として大きなギャップがあることがとても面白いなと思っています。そういうことを考えようとすると、ある枠組みに従ってある量を計算しますという感じではなく、しばしば総力戦になるんですね。いろんな物理の勉強をして、例えばこの現象だと暗黒物質の生成と、あるいは別の物理と関連がありそうだなとか、そういうのを色々学んで、考えもつかない２つの物理に同じ構造が見えて、初期宇宙の理解が進んだときとかがすごい楽しくて、それで研究をやっているんだな、という風に思いました。

橋本　総力戦という言葉がぴったりだな、と思ったんですけど。

向田　そうですね。

橋本　標準模型はこうやってできあがっていて、ヒッグス場の対称性の破れとかが見つかってちゃんとある。それがある程度確立している中で、宇宙の初めはどうだったかというのを調べたいという？

向田　そうですね。

橋本　そこには暗黒物質もいて。

向田　はい。ですがそこに行く前に、そもそも何が標準模型では説明できないかを理解するのが総力戦でした。例えば、暗黒物質に関しては、ウィッテンとかが言ってたように、QCDの相転移がすごく強い一次相転移だったら、クォークがいっぱい詰まったクォークナゲットっていうやばい物体ができて。

橋本　やばい物体が。

向田　そうなんです。それが暗黒物質かもしれないという理論もあった。でもそれは現在では格子上の場の理論の数値計算で否定されています。さらに、バリオン非対称性の生成もしないといけないので、別の一次相転移、例えば電弱相転移で一次相転移を起こしてやるという話があります。つまり、物質と反物質が同じだったら物質と反物質は厳密に同じ量しかできないので対消滅しちゃって今の我々は作れないけど、それでは困る。標準模型の枠内で、物質と反物質の対称性はこれだけ破れるという大きさは実験的にわかっているので、それと現在わかっているヒッグス質量とかからわかる電弱相転移を組み合わせて物質がどれだけ残るかを調べてみると、宇宙のバリオン非対称性を十分作れないというのがわかっちゃった。つまり、分かっているミクロの物理とマクロの熱力学を使って宇宙を調べると、素粒子標準模型はもう否定されちゃってるんです。

橋本　そうか。総力戦は今のところ負けてる？

向田　そうですね（笑）。負けてます。

橋本　だからそれだけでは足らなくて何かを足さないといけないと。

向田　はい、ミクロには何か新しい理論を考えないといけない。より基礎的な理論を仮定したときに、じゃあマクロに対する現れは何かというと、それが宇宙なんです。結構ギャップがあるじゃないですか。これを考える過程が楽しいんですよね。

橋本　楽しいって言っても、ちょっとすぐにイメージが沸かないんですけど。

向田　暗黒物質の例で、何が楽しいかっていうと…。暗黒物質っていろんな模型があるんですけど、模型によっては暗黒物質と暗黒物質が対消滅して標準模型の粒子ができます。この過程が宇宙膨張にくらべて遅くなった時に暗黒物質の量が決まって、それが今の宇宙に安定して残った暗黒物質なんですけど、この対消滅の確率は模型によります。もし引力が働く暗黒物質の模型だと、暗黒物質が直接対消滅するんじゃなくて引力のおかげで束縛状態を作ってから崩壊する。しかもこのプロセスが高温のプラズマ中で起きるんです。実はこの物理ってQGPでのクオーコニム生成と関連があって、そういうところから勉強してみると今まで見落とされていた物理があったりして。そういう感じでいろんな物理から学んで正しく記述するっていうことをやらないといけない。

橋本　そうか。総力戦という意味は、単に素粒子の模型を与えたらできますよ、というだけではなく、さらにそれらが熱いスープ、ヒッグスとかいろんなものがプラズマの中でぐちゃぐちゃになった中で何が起こるかを、実験なんかできないから理論的に考える。

向田　そうです、そうです。

橋本　それは大変だ。

向田　それを考えて、じゃあなんか新しく観測可能な痕跡があったら面白いな、とか。

橋本　それは相当難しい話ですね。QCDだけではなく電弱の方もごちゃごちゃなってて、下手したらトポロジーが変わったりとか、すごいわちゃわちゃになっている。

向田　そうなんですよ。

橋本　その中にダークマターを溶かしこんで、
向田　ぐちゃっとやって、
橋本　じゃあ何が出てきますかっていう話か…それは面白い。けどすごく難しそう

向田　すごく難しいので、実際やっていることはその簡単な部分になるんですけど、やっぱり究極の目標はここに含まれる物理を全部わかるようになりたいな、という気持ちでやっています。

橋本　なるほど、すごい。さて、今のところ暗黒物質は見つかっていないわけですけど、向田さんのおすすめの暗黒物質はあります？

向田　おすすめ？
橋本　うん、俺はこれが好きだっていうの
向田　・・・・・うーん。

橋本　別になんでも来い？
向田　僕、ないですね、特にない（笑）。

橋本　ひと昔前はみんなWIMPって言ってたけど。

向田　WIMPはきれいだと思います。やっぱり暗黒物質って、ただ説明するだけなら簡単なんですよ、問いとして。

橋本　簡単なんだ。

向田　ええ。自由にいじれるなら、暗黒物質の量も宇宙の初期状態で…とか考えると結局暗黒物質の重力相互作用だけ考えればいい。そうすると標準模型は関係なくて、勝手に知らないところでできて今そこにいます、というのが許されちゃうんです。だからやっぱり、いまある量をうまく説明する仕組みを含めて考えないと、問いとしてあまり成立していない気がします。その中でWIMPはやはり特別ですね。WIMPの量は、熱平衡の物理で決まるので比較的低エネルギーの物理なんですけど、WIMPが本当じゃないとすると、それより高いエネルギーまで関係する可能性があります。

橋本　なるほど。

向田　他には、素粒子じゃないですけど、原始ブラックホールみたいに、結構エキゾチックだけど面白いものもあります。ブラックホールは重力でつぶれてできるので、標準模型の粒子が相対論的に元気に飛び回るっていう状態だと潰れられない。星の一生の最後とか、圧力が強い状態からできるのが普通ですが、インフレーションの理論によっては、宇宙初期のプラズマができた瞬間に潰れるような

橋本　プラズマができた瞬間に

向田　インフレーションは真空エネルギーによる宇宙膨張ですが、その元になるインフラトンという場のエネルギーがそれを引き起こすと考えます。そいつがエネルギーを標準模型の粒子に転換して宇宙を加熱し、熱いプラズマができていわゆるビックバンになるわけです。こうして普通に作ると、それっぽいものができて潰れたりしないんですが、初めからすごい高密度な領域がいるような作り方をすることもできて、そうするとできたらすぐブラックホールになるんですよ。

橋本　ほう。

向田　そういうブラックホールは重力相互作用しかしないし、全然観測できない気がするんですけど、多分近い将来棄却されるか、あるいは見えるかします。

橋本　棄却されるか見えるかどっちかになる、
向田　作り方が激しいんで、そのやばい領域から出た重力波が見えるとかですね。

橋本　なるほど。宇宙のごく初期にやばい領域でできちゃったブラックホールが、やばい領域があったということがわかるはずだということですか。

橋本　なるほど。そうなんだ。では向田さんの暗黒物質のおすすめは今のところ素粒子ではなく、
向田　いや、おすすめはWIMPです。

橋本　あ、おすすめはWIMP。だけど楽しい可能性として
向田　楽しい可能性として、そういうやばいのがいるよっていう

橋本　やばいのね。いろんなものがあり得て、そういう変な可能性が本当だった時には宇宙全体としてどういうことが起こってきたかっていうのを考えたい。そういうことですか。

向田　そういうことです。

橋本　面白い。

向田　宇宙を仮想的にいっぱい作って
橋本　こんなんだったらこうなっているはずだと、
向田　そうなんです。

橋本　なるほど。じゃあ、生きている間にWIMPかブラックホールかわからないけど、何かが見つかってその時「俺のこの理論だ、ほら言っただろう」っていう風になっててほしいと。

向田　それぐらい色々考えていきたいですね。

橋本　やっぱり今は素粒子と宇宙の観測ってもう切っても切れないというか

向田　素粒子論の謎は宇宙観測から来ているので、宇宙の考察は必要だと思います。まあそれに動機づけられて何をやるかが問題なんですが…。ちょっと前は、いわゆる超対称性、低エネルギー超対称性から来るWIMPとかが流行っていました。僕が大学院生で入った時に流行っていたんですけど、今は指針がない、悪く言うとない、よく言うとなんでもありなんで、若い人にチャンスかな、と僕はポジティブに捉えています。

橋本　若者にとっては実は楽しい時期かもしれない
向田　そういう気がしますね。もし、偉い人が考えていたやつより正しいってなっちゃうかもしれないし。

橋本　今までに出た暗黒物質の候補はあまりなさそうだ、というがわかってきた時点で、もう横一線に並んで、偉い先生も若者もよーいどんでここから始める。

向田　だからまだチャンスはあるかもしれないですね。

橋本　若い元気のある人に集まってもらってワイワイガヤガヤ言いながらやるっていうのは楽しいのでは？
向田　楽しいですね。

橋本：理論センターはそういう場所になってほしい。若い人が集まって、よくわかんないやばい可能性を次々と考えられるような場所に。

向田　そうしたらとっても嬉しいですね。

橋本　向田さんのご活躍を期待しています。
向田　ありがとうございます。