There is something about physics

ある物理の問題が

that has been really bothering me since I was a little kid.

子供の頃から随分と私の頭を悩ませてきました

And it's related to a question

それは科学者が

that scientists have been asking for almost 100 years,

100年もの間 問い続けても 答えが得られない問題に

with no answer.

関わるものです

How do the smallest things in nature,

自然界で最小の物質であり

the particles of the quantum world,

量子論の世界に属する素粒子と

match up with the largest things in nature --

自然界での最大の物体であり 重力で結びつけられている

planets and stars and galaxies held together by gravity?

惑星や恒星や銀河とを どうやって統一するのか？

As a kid, I would puzzle over questions just like this.

子供のころには この問題に対して答えを出そうと

I would fiddle around with microscopes and electromagnets,

顕微鏡や電磁石をいじくったり

and I would read about the forces of the small

微小世界の力や量子力学について

and about quantum mechanics

本を読んだりしました

and I would marvel at how well that description matched up

そして 本の記述が 私たちの実験結果と よく合致していることに

to our observation.

驚きました

Then I would look at the stars,

それから天体を観測しました

and I would read about how well we understand gravity,

重力がかなり解明されていることも 学びました

and I would think surely, there must be some elegant way

そして 私はこれらの２つのシステムを 統一する美しい理論が―

that these two systems match up.

あるに違いないと確信しました

But there's not.

しかし そのようなものはありません

And the books would say,

本によると

yeah, we understand a lot about these two realms separately,

この２つの領域について 別々には研究が進んでいますが

but when we try to link them mathematically,

数学的に結び付けようとすると

everything breaks.

全くうまくいきません

And for 100 years,

100年もの間

none of our ideas as to how to solve this basically physics disaster,

この根本的な物理学上の破綻を 解く試みはどれも

has ever been supported by evidence.

実験による裏付けができませんでした

And to little old me --

少し大きくなった私―

little, curious, skeptical James --

好奇心旺盛で 疑り深い子供の私には

this was a supremely unsatisfying answer.

この状況は到底 納得のいくものではありませんでした

So, I'm still a skeptical little kid.

そうです 私は今でも疑り深い子供なのです

Flash-forward now to December of 2015,

ここで2015年の12月に話が飛びますが

when I found myself smack in the middle

この時 私がその中心にいた物理の世界は

of the physics world being flipped on its head.

天地のひっくり返る騒ぎのまっただ中でした

It all started when we at CERN saw something intriguing in our data:

CERN（欧州原子核研究機構）で 興味深いデータが見つかったことに端を発します

a hint of a new particle,

それは新粒子の兆しであり

an inkling of a possibly extraordinary answer to this question.

長年の問題に 驚くべき解答が 得られる可能性を匂わせていました

So I'm still a skeptical little kid, I think,

私は まだ疑り深い子供だと思うのですが

but I'm also now a particle hunter.

今や 素粒子ハンターでもあるのです

I am a physicist at CERN's Large Hadron Collider,

私は 物理学者で 稼働中の実験施設では最大の

the largest science experiment ever mounted.

CERNの大型ハドロン衝突型加速器で 研究しています

It's a 27-kilometer tunnel on the border of France and Switzerland

これは フランスとスイスの国境にまたがる 27キロのトンネルで

buried 100 meters underground.

地下100メートルに埋められています

And in this tunnel,

このトンネルの中で

we use superconducting magnets colder than outer space

宇宙空間よりも冷たい超伝導磁石を使って

to accelerate protons to almost the speed of light

陽子を光速近くまで加速して

and slam them into each other millions of times per second,

１秒間に数百万回 衝突させ

collecting the debris of these collisions

その衝突による生成粒子を捉えて

to search for new, undiscovered fundamental particles.

新たな 未発見の基本粒子を探しています

Its design and construction took decades of work

この施設の設計と建設は 世界中から集まった物理学者の

by thousands of physicists from around the globe,

数十年間に渡る努力の賜物です

and in the summer of 2015,

2015年の夏には

we had been working tirelessly to switch on the LHC

人類史上最大のエネルギーでの 衝突型加速器実験をするために

at the highest energy that humans have ever used in a collider experiment.

この大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の 稼働に向けて精力的に働いていました

Now, higher energy is important

高いエネルギーは重要です

because for particles, there is an equivalence

なぜなら 素粒子の世界では

between energy and particle mass,

エネルギーと質量は等しいからです

and mass is just a number put there by nature.

質量は 自然が与えた ただの数値です

To discover new particles,

新粒子を発見するには

we need to reach these bigger numbers.

より大きな数値に達する必要があります

And to do that, we have to build a bigger, higher energy collider,

そこで より高エネルギーを生む より大きな衝突型加速器が必要です

and the biggest, highest energy collider in the world

そして 世界で最高エネルギーを生む 最大の加速器が

is the Large Hadron Collider.

CERNのLHCなのです

And then, we collide protons quadrillions of times,

そこでは 陽子を数千兆回衝突させ

and we collect this data very slowly, over months and months.

何か月にもわたる時間をかけて そのデータを集めます

And then new particles might show up in our data as bumps --

すると 新粒子が データのグラフ上の コブとして表れてくるかもしれません

slight deviations from what you expect,

予測値からのわずかな偏りであり

little clusters of data points that make a smooth line not so smooth.

滑らかな線に凹凸を与える 一群のデータ点です

For example, this bump,

例えば このグラフ上のコブは

after months of data-taking in 2012,

2012年に数ヶ月間 データを蓄積した結果ですが

led to the discovery of the Higgs particle --

ボソン粒子のひとつである ヒッグス粒子の発見に至り

the Higgs boson --

粒子の存在を裏付けることで ノーベル賞受賞にもつながりました

and to a Nobel Prize for the confirmation of its existence.

2015年に エネルギーが 大幅に増強されたことによって

This jump up in energy in 2015

新粒子 つまり長く未解決だった問題への 新たな答を発見する

represented the best chance that we as a species had ever had

史上最大のチャンスが訪れました

of discovering new particles --

なぜなら ヒッグス粒子を発見した時の

new answers to these long-standing questions,

約２倍のエネルギーだからです

because it was almost twice as much energy as we used

私の同僚の多くは この一瞬に 研究生活の全てを賭けていました

when we discovered the Higgs boson.

率直に言って 好奇心旺盛な子供の私にとっては

Many of my colleagues had been working their entire careers for this moment,

それまでの人生は この一瞬を待つためだったのです

and frankly, to little curious me,

2015年は まさにその時でした

this was the moment I'd been waiting for my entire life.

2015年の６月に

So 2015 was go time.

LHCは再稼働しました

So June 2015,

私は同僚たちと一緒に 息もできないほどドキドキしていました

the LHC is switched back on.

そして ついに この最高エネルギーでの

My colleagues and I held our breath and bit our fingernails,

陽子衝突の１回目を観測しました

and then finally we saw the first proton collisions

拍手と乾杯と祝福が起こりました

at this highest energy ever.

科学界の節目でした

Applause, champagne, celebration.

この新たに観測されたデータから 何が発見できるかは未知数でした

This was a milestone for science,

数週間後にはグラフ上に コブを見つけました

and we had no idea what we would find in this brand-new data.

あまり大きくはありませんでしたが

And then a few weeks later, we found a bump.

眉を上げるには十分な大きさのコブでした

It wasn't a very big bump,

眉を上げる段階を10段階に分けて

but it was big enough to make you raise your eyebrow.

10を新粒子発見とすると

But on a scale of one to 10 for eyebrow raises,

今回は４ぐらいでした

if 10 indicates that you've discovered a new particle,

（笑）

this eyebrow raise is about a four.

何時間も 何日間も 何週間もかけて このわずかなコブについて

(Laughter)

同僚たちと秘密裏に話し合い

I spent hours, days, weeks in secret meetings,

データを徹底的に調べ上げ

arguing with my colleagues over this little bump,

精査に耐えるかどうかを検討しました

poking and prodding it with our most ruthless experimental sticks

何か月もの間 憑りつかれた様に 研究をしました

to see if it would withstand scrutiny.

家には帰らず 研究所に寝泊まりし

But even after months of working feverishly --

キャンディバーを夕食にして

sleeping in our offices and not going home,

バケツ一杯のコーヒーを飲み―

candy bars for dinner,

物理学者は コーヒーを図表に変える 機械のようなものですが―

coffee by the bucketful --

（笑）

physicists are machines for turning coffee into diagrams --

しかし このわずかなコブは消えませんでした

(Laughter)

そして 数か月後

This little bump would not go away.

我々はこのわずかなコブを 明快なメッセージとともに世界に発表しました

So after a few months,

それは このわずかなコブは興味深いが 決定的ではないので

we presented our little bump to the world with a very clear message:

さらなるデータを取って 注意深く観測するつもりだということです

this little bump is interesting but it's not definitive,

私たちはこのコブに関して 冷静でいようとしました

so let's keep an eye on it as we take more data.

いずれにしろ この発表は世界中に広まりました

So we were trying to be extremely cool about it.

マスコミはこぞって取り上げました

And the world ran with it anyway.

このコブはヒッグス粒子発見の 過程で現れたコブを

The news loved it.

彷彿とさせると言われました

People said it reminded them of the little bump

さらに 同業者である理論物理学者たちは

that was shown on the way toward the Higgs boson discovery.

私の大好きな人たちですが

Better than that, my theorist colleagues --

理論家たちはこのコブについて 500本もの論文を書きました

I love my theorist colleagues --

（笑）

my theorist colleagues wrote 500 papers about this little bump.

素粒子物理学界は 天地がひっくり返るほどの大騒ぎでした

(Laughter)

何故 この問題のコブは 何千人もの物理学者たちが―

The world of particle physics had been flipped on its head.

誰も彼も冷静さを失うほどの 代物なのでしょうか

But what was it about this particular bump

このわずかなコブは独特でした

that caused thousands of physicists to collectively lose their cool?

このコブが示唆するのは

This little bump was unique.

ある種の衝突が 予想外に多く 観測されているということです

This little bump indicated

その衝突の生成物は ２つの光子だけ つまり

that we were seeing an unexpectedly large number of collisions

２個の光の粒子だけなのです

whose debris consisted of only two photons,

これは稀なことです

two particles of light.

粒子の衝突は自動車の衝突とは違います

And that's rare.

別の法則に従います

Particle collisions are not like automobile collisions.

２つの粒子が 光速に近い速さで衝突する時は

They have different rules.

量子論が適用されます

When two particles collide at almost the speed of light,

量子論の世界では

the quantum world takes over.

２つの粒子から 新しい粒子が１つできますが

And in the quantum world,

その粒子の寿命はごくわずかな時間で

these two particles can briefly create a new particle

別の粒子に分裂して検出されます

that lives for a tiny fraction of a second

車の衝突で考えると 衝突の瞬間に ２台の車が消えて

before splitting into other particles that hit our detector.

その場所に自転車が１台現れるということです

Imagine a car collision where the two cars vanish upon impact,

（笑）

a bicycle appears in their place --

その自転車は分裂して ２台のスケートボードになり

(Laughter)

これが観測器で検出されます

And then that bicycle explodes into two skateboards,

（笑）

which hit our detector.

うまくいけばですが 正確には少し違います

(Laughter)

この実験は非常に高くつきます

Hopefully, not literally.

２個の光子だけしか検出されない例は 極めて稀です

They're very expensive.

光子は素粒子の中でも特別な性質を持つため

Events where only two photons hit out detector are very rare.

２つの光子しか生み出さないような 新粒子の可能性は―

And because of the special quantum properties of photons,

先程の謎の自転車に相当しますが―

there's a very small number of possible new particles --

非常に限られます

these mythical bicycles --

しかし その選択肢の一つは かなりの高エネルギーで

that can give birth to only two photons.

私を子供の頃から悩ませていた

But one of these options is huge,

あの積年の問題

and it has to do with that long-standing question

つまり重力に関係します

that bothered me as a tiny little kid,

重力はとても強い力に見えるかもしれません

about gravity.

しかし 実際には 自然界の他の力に比べると 信じられないほど弱い力です

Gravity may seem super strong to you,

私が跳ねるだけで 簡単に重力を打ち負かすことができますが

but it's actually crazily weak compared to the other forces of nature.

手から陽子を取り出すことはできません

I can briefly beat gravity when I jump,

重力は自然界の他の力と比べると どの程度の強さなのか？

but I can't pick a proton out of my hand.

10の39乗分の1です

The strength of gravity compared to the other forces of nature?

小数点以下に39個の０が並びます

It's 10 to the minus 39.

さらに悪いことに

That's a decimal with 39 zeros after it.

自然界の他の力は 私たちが標準モデルと呼ぶ理論で

Worse than that,

完全に説明できます

all of the other known forces of nature are perfectly described

これは 自然界を最も小さな尺度で説明できる 現時点での最良の理論です

by this thing we call the Standard Model,

率直に言って

which is our current best description of nature at its smallest scales,

人類の最も優れた成果の１つです

and quite frankly,

重力は例外です 重力は標準理論に含まれていません

one of the most successful achievements of humankind --

有り得ません

except for gravity, which is absent from the Standard Model.

重力の大半は 消えてしまったというのでしょうか

It's crazy.

私たちは重力を少しは感じますが

It's almost as though most of gravity has gone missing.

残りはどこにあるのでしょう

We feel a little bit of it,

誰も知りません

but where's the rest of it?

さて 大胆な説明を提案している ある仮説があります

No one knows.

私たちは

But one theoretical explanation proposes a wild solution.

後ろの方のあなたも

You and I --

３次元の空間にいます

even you in the back --

このことは 受け入れていただけるといいのですが

we live in three dimensions of space.

（笑）

I hope that's a non-controversial statement.

既知の粒子も全て３次元空間に存在します

(Laughter)

実は 粒子があるということは ３次元空間において

All of the known particles also live in three dimensions of space.

その場所のエネルギーが 基底より高い状態にあるということです

In fact, a particle is just another name

空間が局所的に揺らいるのです

for an excitation in a three-dimensional field;

もっと重要なことは こういった物理を 記述するために用いる数学では

a localized wobbling in space.

次元の数は３つだと仮定としていることです

More importantly, all the math that we use to describe all this stuff

しかし数学は数学です いろんな数学的な扱いを試すことができます

assumes that there are only three dimensions of space.

とても長い間 空間の余剰次元について

But math is math, and we can play around with our math however we want.

いろいろと考えられてきました

And people have been playing around with extra dimensions of space

ただこれは 抽象的な数学の概念に すぎませんでした

for a very long time,

つまり 周りを見回しても― 後ろの方も見回してください

but it's always been an abstract mathematical concept.

明らかに空間には３次元しかありません

I mean, just look around you -- you at the back, look around --

それが現実ではなかったらどうしますか？

there's clearly only three dimensions of space.

重力の失われた部分は 私たちには見えない空間の余剰次元に

But what if that's not true?

漏れているとすると どうでしょう？

What if the missing gravity is leaking into an extra-spatial dimension

この空間の余剰次元も見えれば 重力は他の力と同じぐらい強いのに

that's invisible to you and I?

私たちが感じられるのは 重力のほんの小さな断面だけなので

What if gravity is just as strong as the other forces

重力がとても弱い力だと考えられているのなら

if you were to view it in this extra-spatial dimension,

どうでしょう？

and what you and I experience is a tiny slice of gravity

もしこの仮説が本当ならば

make it seem very weak?

素粒子の標準モデルを 拡張しなければなりません

If this were true,

そうすると 余剰次元の素粒子 つまり重力の高次元素粒子―

we would have to expand our Standard Model of particles

空間の余剰次元に存在する 特別な重力子を含めることができます

to include an extra particle, a hyperdimensional particle of gravity,

皆さんの様子からすると

a special graviton that lives in extra-spatial dimensions.

このようにお思いでしょう

I see the looks on your faces.

「一体どうやってこんな途方もない SF小説のようなアイディアを試すのだろう？

You should be asking me the question,

私たちは３次元空間に捕らわれているのに」

"How in the world are we going to test this crazy, science fiction idea,

こういうときはいつも

stuck as we are in three dimensions?"

２つの陽子を衝突させるのです

The way we always do,

（笑）

by slamming together two protons --

十分に激しい衝突ならば

(Laughter)

そこにあるべき空間の余剰次元を 揺るがせて

Hard enough that the collision reverberates

直ちに高次元の重力子が生まれ

into any extra-spatial dimensions that might be there,

すぐにLHCがある３次元空間にポンと戻り

momentarily creating this hyperdimensional graviton

２つの光子に つまり２個の光の粒子に分裂します

that then snaps back into the three dimensions of the LHC

ここで仮定した余剰次元の重力子は

and spits off two photons,

２個の光子によるわずかなコブを 生み出せるという

two particles of light.

特別な量子的特徴を持ちうる

And this hypothetical, extra-dimensional graviton

仮想的な新粒子のひとつです

is one of the only possible, hypothetical new particles

重力の謎を解き明かし

that has the special quantum properties

空間の余剰次元を発見する可能性―

that could give birth to our little, two-photon bump.

もう皆さんはお判りでしょう

So, the possibility of explaining the mysteries of gravity

どうして何千人もの物理オタクが データ上の ２個の光子からできるわずかなコブに

and of discovering extra dimensions of space --

誰も彼も冷静さを失ったのか

perhaps now you get a sense

教科書を書き換えるほどの発見です

as to why thousands of physics geeks collectively lost their cool

ここで思い出してください

over our little, two-photon bump.

その時この研究をしていた

A discovery of this type would rewrite the textbooks.

実験物理学者たちが出したメッセージは とても明確でした

But remember,

「もっとデータが必要です」

the message from us experimentalists

データが蓄積されれば

that actually were doing this work at the time,

このわずかなコブが パリッと素敵なノーベル賞になるか

was very clear:

（笑）

we need more data.

新たなデータがコブの周囲を埋めて

With more data,

滑らかな線となるか判ります

the little bump will either turn into a nice, crisp Nobel Prize --

私たちはデータを取り続けました

(Laughter)

数ヶ月かかって５倍の量のデータを集めた結果

Or the extra data will fill in the space around the bump

このわずかなコブは

and turn it into a nice, smooth line.

滑らかな線になりました

So we took more data,

マスコミは「大きな失望」とか 「消えた希望」とか

and with five times the data, several months later,

素粒子物理学者たちの「残念」などと 報道しました

our little bump

このように報道されたので

turned into a smooth line.