1. 素粒子物理学とは

　まず、「素粒子」とはなんでしょうか。一言で言うと、「物質をバラバラにして行った時、それ以上分割できない最小単位」のことをいいます。例えば、電子や、光の粒子描像である光子は、これらは現状これ以上分割できないと考えられており、素粒子に分類されます。一方、素粒子だと思われていた物質が、その後さらに分割できるより小さな基本単位が発見され、素粒子ではないとわかった例もあります。原子核、核子、クォークと、実験と理論の両輪を合わせた研究によって、物質の究極的にミクロな描像は常に刷新され続けてきました。

2. 素粒子標準模型

　現在認知されている素粒子について、それらの相互作用を記述する理論は「素粒子標準模型」と呼ばれています。これらの素粒子は「量子数」とよばれる物理量で分類されています。粒子の質量、スピン、電荷などが例として挙げられます。標準模型粒子の相互作用は「対称性」によって決められており、そこからどんな現象が予言されるか理論的に計算することができます。そして、その予言は実験的にあっているか間違っているか、検証することができます。実際に、フランスとスイスの国境に位置する Large Hadron Collider というコライダー実験では、陽子と陽子を高エネルギーで衝突させて素粒子標準模型の検証を行っています。衝突の結果できた粒子のエネルギーや角度分布を測定することで、衝突時にどんな粒子過程が起こったかを解析するのです。現状の解析結果は、理論の予言と非常に精度良く一致しており、コライダー実験で検証できるエネルギースケールでは、素粒子標準模型はすでに確立されていると言えます。

4. 暗黒物質

　せっかくここまでお話ししてきたので、私の専門についてもう少し踏み込んでご説明します。先ほど、宇宙現象をお鍋に見立てて説明しました。それではお鍋にどれくらいの材料を入れればいいのでしょうか。これも、初期宇宙の物理量を観測することで推定することができます。例えば、宇宙が晴れ上がり、光がまっすぐ進めるようになった直後の光(=宇宙マイクロ波背景放射)のスペクトルを観測すると、宇宙のエネルギー密度の比率を決めることができます。この観測によると、驚くべきことがわかります。私たちが現状、物質をミクロに記述する理論だと思っている素粒子標準模型の粒子たちは、宇宙に存在する物質の約15%でしかないというのです。
　それでは残りの大半の物質はなんなのでしょうか。正体不明のこの物質は「暗黒物質」と呼ばれています。この謎の物質が存在しないと、銀河の渦巻き型の構造も実現されず、宇宙は今とは全く異なる姿になっていたと考えられています。暗黒物質の特徴は、以下のようにまとめられます。

　- 光らない物質であること
　- 安定、または宇宙年齢に比べて長寿命であること
　- 宇宙の構造形成時に、物質として振る舞うこと

たったこれだけの条件ですが、私たちのよく知る素粒子標準模型に属する粒子たちは満たすことができません。暗黒物質の正体は何か、と言う問いは素粒子・宇宙・天文物理学など幅広い分野にまたがる壮大なミステリーであると言えます。
　暗黒物質の物理は、情報が少ないためいろんな仮説が存在します。私自身は、素粒子論的な立場から暗黒物質を研究しています。このアプローチでは暗黒物質は未知の素粒子であると仮定します。この研究の方向性の一つの目標は、「暗黒物質の量子数の決定」です。つまり、暗黒物質の質量・スピン・相互作用電荷を決定することを意味します。暗黒物質を含めた包括的な枠組みで物質の相互作用理論を完成させ、そこからどんな自然現象が帰結されるのか明らかにしたい。これが私の究極的な研究目標です。