陽子に新たな素粒子が含まれている可能性が浮上！教科書に書き直し必須か？ 202208

陽子に新たな素粒子が含まれている可能性が浮上！教科書に書き直し必須か？
　ナゾロジー　より　220821  川勝康弘
Credit: MIT Center for Art, Science & Technology . ナゾロジー編

⚫︎高校物理の教科書も書き換わるかもしれません。
国際的な研究組織「NNPDFコラボレーション」によって行われた研究によって、陽子の内在的な因子として、新たにチャームクォークと反チャームクォークのペアが含まれる可能性が明らかになりました。

　これまで物理の教科書には「陽子は2個のアップクォークと、1個のダウンクォークが結合したものである」と書かれていましたが、これからは、さらにチャームクォークと反チャームクォークのペアを加えて記入する必要があるかもしれません。

　しかし、陽子の基本的な構成要素であるにもかかわらず、なぜこれまでチャームクォークの存在は知られていなかったのでしょうか？

　研究内容の詳細は2022年8月17日に『Nature』にて掲載されています。

ーー目次
　陽子に新たな素粒子が含まれている可能性が浮上！
　陽子に含まれるチャームクォークは陽子よりも重い
　人工知能が物理学を切り開く

⚫︎陽子に新たな素粒子が含まれている可能性が浮上！

　物理学の教科書には、上の図のように、陽子は3個のクォーク（アップ2個・ダウン1個）がグルーオンによって結び付けられた状態として記されています。
　しかし実は、物理学者たちは何十年も前から、陽子の内部にはチャームクォークと反チャームクォークと呼ばれる別の素粒子ペアが存在しており、陽子の運動量や質量の一部を担っているかもしれないと、疑っていました。
　ですが、この仮説（陽子にチャームクォークのペアが含まれること）を実験的に確かめるのは、極めて困難でした。

　陽子にどんな素粒子が含まれているかを確かめるには、衝突実験によって陽子を砕き、飛び散った素粒子を観測する必要があります。

　しかし厄介なことに、小さなサイズの世界では、陽子に含まれている素粒子と飛び散った素粒子が一致するとは限りません。
　私達の住む宇宙を極めて小さなサイズで観測すると、真空から素粒子が対生成されては対消滅していく様子がみられます。

　特に高エネルギーでの衝突実験を行った場合には、陽子の構成材料以外の多様な粒子が生成され、検出器で観測されることが知られています。
　衝突によってどんな未知の粒子が生成されるかを調べるだけならば、それでも問題はありません。

　しかし実際、衝突実験を行うと、高エネルギーに誘発された外因性のチャームクォークが空間から生成されることが知られています。
　そうなると飛び散ったチャームクォークたちが元々、陽子内部に存在する要素（内在的要素）なのか、高エネルギー衝突の影響を受けて新たに陽子内部に現れた要素（外在的要素）なのかを判別するのは極めて困難でした。

　そこで今回、NNPDFコラボレーションの研究者たちは、膨大な観測データの分析や複雑な判別を人工知能（ニューラルネット）を用いて分析することにしました。
　実験に当たってはまず、実際に存在するかどうかを気にせず、あらゆるクォークによって構成される、仮想の陽子が想定され、実際に行われた50万件を超える衝突実験の結果や理論値との比較が行われました。

　条件に縛られない学習を行うことで、人間の物理学者が思いつかないモデルを生成したり、人間の偏った測定の可能性を減らすことが可能になります。

　するとニューラルネットは学習により、特定の陽子の構成要素が、どのような素粒子の飛び散り方をするのかを正確に予測することができるようになりました。

　次に研究者たちは、学習済みのニューラルネットに対して、陽子にチャームクォークが内在的に含まれる場合と、そうでない場合のどちらが実験結果に即するかを尋ねてみました。
　結果、陽子にチャームクォークが含まれている場合のほうが、さまざまな実験結果や理論値とつじつまが合うことが判明します。
　一方で、陽子にチャームクォークが含まれない場合でも同じ実験結果になる可能性（間違っている可能性）は、わずか0.3%（σ3）となりました。

　今回の研究を行った研究者の1人Rojo氏は「非常に異なる実験が、どれもチャームクォークがある条件のほうがつじつまが合うという結果に収束する事実は、私達の結果が確かなものであるという自信になる」と述べています。

　では、陽子の中にチャームクォークがあるとして、影響度はどれほどのものだったのでしょうか？
　それを理解するには、次の大きな矛盾点を超えなければなりません。

⚫︎陽子に含まれるチャームクォークは陽子よりも重い
　今回の研究では、陽子におけるチャームクォークの影響度も算出されています。

陽子にチャームクォークが存在する場合に、どれほどの影響度になるかは、単なる重量比率を超えた極めて重要な問題です。
　というのも、チャームクォーク1個の重さは、陽子よりも重いからです。
陽子より重い素粒子が陽子に入っていると考えると、頭がこんがらかりそうになるかもしれません。

　しかし量子力学において、粒子は確率的にしか存在できないという大原則があるため、この混乱は回避できます。

　量子力学の領域にある粒子の多くは存在する場合と存在しない場合が重ね合わさっており、観測によってはじめて状態が確定するのが基本となっています。
　つまりある時点で陽子の内部を調べた場合にはチャームクォークは存在しないものの、別の状況で調べた場合には、チャームクォークが存在しているという結果が得られるため、観測された素粒子の質量を真面目に加算して陽子の質量と比べることにあまり意味はないのです。
　なにやら煙にまかれたような、屁理屈のような話に聞こえますが「確率的にしか物体が存在できない世界」では、日常生活レベルでの足し算や引き算が上手く機能ないことがよくあります。

　一方で、陽子に内在するチャームクォークが一定確率で検出され続ける場合、陽子の内部には陽子に属するチャームクォークが「ある」と結論されます。
　確率的にしか物体が存在できない世界では、一定確率で検出されることが存在の根拠となりえるからです。
（※検出される確率は同じ実験条件ならば一定の数値に収束します）

　またチャームクォークが存在する場合の影響力を調べたところ、チャームクォークは陽子全体の運動量のうち約0.5%を占めていることが示されました。
　研究者たちは陽子の基本構造を正しく理解することは、続く他の実験にも影響を与える可能性があると述べています。

　たとえば、宇宙線が大気に衝突してニュートリノを生成する確率は、陽子に含まれるチャームクォークの存在に非常に敏感であると考えられます。

⚫︎人工知能が物理学を切り開く
　今回の研究により、宇宙で最もありふれた存在である陽子にはチャームクォークと反チャームクォークが存在する可能性が、ニューラルネットを用いて示されました。

　無数の異なる実験条件と観測結果を学習することでニューラルネットは、陽子の内部に内在的なチャームクォークがある場合とない場合では、ある場合のほうが妥当性が高いと判断したのです。
　また分析結果をもとに結論の強固さを調べたところ、陽子に内在的なチャームクォークが存在する可能性は99.7%の確かさ（3σ）と算出されました。

　類似の人工知能を用いた研究はヒッグス粒子の発見にも役立てられた業績があり、今後の物理学において人工知能による導きは重要となっていくでしょう。

　ただ一般に物理学において新しい素粒子を発見したと表現できる基準は「99.9999%の確かさ（5σ）」とされています。
　このため3σで確認された場合は、結果について「兆候が見られる」という表現に抑えられます。
　研究者たちも,最終的な結論を出すには,より多くのデータが必要であると述べています。

　しかし結論が正しければ、陽子が本質的に含んでいる素粒子として、新たにチャームクォークと反チャームクォークの存在が新たに教科書に書き加えられるでしょう。


⚫︎参考文献
Protons contain intrinsic charm quarks, a new study suggests https://www.sciencenews.org/article/proton-charm-quark-up-down-particle-physics
⚫︎元論文
Evidence for intrinsic charm quarks in the proton https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2

⚠️ 日本は｢自分たちが飢える｣可能性に備えているか 202208

日本は｢自分たちが飢える｣可能性に備えているか
　東洋経済オンライン より　220820 山下 一仁：キヤノングローバル戦略研究所 研究主幹


⚫︎日本の食料政策の弱点はどこにあるか
　ロシアのウクライナ侵攻で一気に深刻化した世界的な食料危機。主食の米を減らし続け、食料の多くを輸入に頼る日本も例外ではない。

　とりわけ、台湾有事でシーレーン（海上交通路）が封鎖されたときのことをどれだけ想定できているのか？　元農林水産省官僚で経済学者・農政アナリストの山下一仁氏が警告する著書『日本が飢える！ 世界食料危機の真実』より一部抜粋、再構成してお届けする。
最低限必要な食料生産はどれくらいか？

　まず、輸入途絶という危機が起きたときに、国民が餓死しないために、どれだけの食料（特に、米、小麦などカロリーを供給する穀物）が必要なのだろうか？
　小麦も牛肉もチーズも輸入できない。トウモロコシや大麦も輸入できないので、日本の畜産は壊滅する。輸入物だけでなく、国産の畜産物、牛肉、豚肉、鶏肉、卵、牛乳・乳製品も食べられない。豊かで健康な食生活は、あきらめるしかない。

　生き延びるために、最低限のカロリーを摂取できる程度の食生活を送るしかない。具体的には、米とイモ主体の終戦後の食生活に戻るしかないのだ。

　当時の米の一人一日当たりの配給は標準的な人で2合3勺（330g／一時2合1勺に減量）だった（子供は減量され、炭鉱労働などカロリーを多く使う者には加配された）。年間では120㎏である。今、これだけの米を食べる人はいない。2020年の一人一年当たりの米消費量は50・7㎏である。

　しかし、1億2550万人に2合3勺（15歳未満を半分と仮定）の米を配給するためには、玄米で1500万〜1600万トンの供給が必要となる。しかし、農林水産省とJA農協は、自分たちの組織の利益のために、減反で毎年米生産を減少させ、2022年産の主食用米はピーク時の半分以下の675万トン以下に供給を抑えようとしている。

　今輸入途絶という危機が起きると、エサ米や政府備蓄の米を含めて必要量の半分に相当する800万トン程度の米しか食べられない。

　現在、政府は配給通帳を用意していない。食料危機が起きてから、1億2550万人用に印刷して配布したのでは、危機対応に間に合わない。配給制度がなかったら、どうなるだろうか？　価格は高騰する。その価格で購入できる資力のある人たちは、2合3勺以上の米を買うだろう。この場合、半分以上の国民が米を買えなくなり、餓死する。

　その前に、米倉庫に群衆が押し寄せ、米は強奪されるだろう。米騒動の再来である。しかし、運よく入手した人も、いずれ食べる米に事欠くようになるだろう。

　国民の半分に2合3勺を配給して、残りの半分に全く配給しないとして、やっと国民の半分は生き残れる。それでも約6000万人が餓死する。しかし、ある人に配給して、ある人に配給しないことは、政府が生存者を選別することになるので行えない。

　危機が一年間続くという最悪の事態を想定すると、全ての人に2合3勺（年間120㎏）の半分の1合1勺（年間60㎏）を配給するしかない。これで生存できる人は、他に食料を入手するすべを持っているなど、極めて幸運な人だけである。

　あるいは、とりあえず2合3勺を配給して、米の在庫が尽きたときは、その時点で何らかの供給手段を考えるという楽観的なシナリオを政府が考えるかもしれない。

　しかし、半年くらいあとに米の在庫がなくなったとき、他の供給手段がなければ、国民全員が飢えるしかない。終戦直後の場合には、アメリカから援助物資が届いたが、シーレーンが破壊され続ければ、輸入はできない。

　別の観点から言うと、今の米生産で生きていくしかないとなると、米の消費量は現在の年間50.7㎏と同じとなる。今の食事から米だけが残り、他には何もない献立、食生活を想像してもらえばよい。終戦後は、小麦から作った〝すいとん〟という非常食があった。

　しかし、麦生産も減少しているので、国民に戦後ほどの麦は供給できない。米の代用食としての〝すいとん〟も満足に食べられない。かろうじて魚は供給できるかもしれないが、石油がないので漁船は操業できない。漁獲量は大幅に低下する。

　カロリーから見ると,1946年の国民1人当たりの摂取カロリ–は1903キロカロリ–である。

　現在の米の消費量では、475キロカロリー(2020年)が供給されているにすぎない。終戦時のカロリーのわずか4分の1である。

　これで、どれだけの人が生存できるかわからない。数字的には、国民全てが餓死する。その前に、乏しい食料を奪い合うという凄惨な事態が発生し、半数近くの国民が命を落とすかもしれない。

　これが、食料自給率向上や食料安全保障を叫ぶ、農林水産省とJA農協という組織が行っている米減らし政策がもたらす結果である。

⚫︎危機による被害の程度
　シーレーンが破壊され、食料輸入が途絶される事態が、どのタイミングで起きるか、どれだけの規模で輸入できなくなるのか、どれだけの期間継続するのかによって、危機の被害は異なる。
　小麦やトウモロコシなど輸入穀物はその都度必要量を輸入しているので、国内にそれほど在庫があるわけではない。在庫があるのは、国内で生産されている米と小麦である。これを食いつなぐしかない。

　問題は、米も麦も一年一作であり、すぐには作れないということである。最悪のタイミングは、田植えが終了した6月に危機が起きることである。当年産の米の生産は増やせない。

　種籾を工面して翌年産の米を増産しようとしても、収穫は翌年の9月まで待たなければならない。16カ月を必要量の半分の米でしのがなければならない。

　次に、シーレーン破壊の規模である。例えば、台湾海峡周辺の紛争に限定されるのか、日本周辺まで巻き込んだ戦争が起きるのか、さらには日本の国土自体が戦場となるのか、である。また、どの程度の期間継続すると思われるのかである。

　これらに応じて、危機の程度が異なる。国土が戦場になるときは、農業生産自体に甚大な影響が出る。しかし、危機への対応は最悪の事態を想定するしかない。

　危機が当年産の収穫前に生じても、すでに作付けしている当年産の収穫にはほとんど影響はない。問題は、危機が翌年産の生産期間まで及ぶ場合である。

　ウクライナでは、小麦の作付けはロシアの侵攻前に終わっていたので、影響は少なかったが、春に作付けされるトウモロコシの生産への影響が懸念された。

　シーレーンが破壊されると石油も輸入できない。石油がなければ、肥料、農薬も供給できず、農業機械も動かせないので、単位面積当たりの収穫量（単収）は大幅に低下する。

　戦前は、化学肥料はある程度普及していたが、農薬や農業機械はなかった。シーレーンが破壊されると、終戦直後の農業の状態に戻ると考えてよい。しかし、このときは、農地解放によって自作農を作った。

　18世紀イギリスの農学者アーサー・ヤングの「所有の魔術は砂を化して黄金となす」という言葉があるように、これで農民の生産意欲は大幅に向上した。

　また、石炭と鉄を基本とした傾斜生産方式によって化学肥料を増産した。農地解放と傾斜生産方式という、食料増産のための効果的な方法を考案するだけの能力を持った人材が、官界、学界に、存在した。

　それでも、人口は7200万人、農地は600万ヘクタールあっても、飢餓が生じた。仮に、このときと同じ生産方法を用いた場合、人口が1億2550万人に増加しているので、当時の600万ヘクタールに相当する農地面積は、1050万ヘクタールとなる。それでも十分とはいえない。しかし、農地は宅地への転用や減反などで435万ヘクタールしかない。

⚫︎危機時には石油、肥料、農薬、機械も輸入できない
　農林水産省は、今の農地にイモを植えれば必要なカロリーは賄えると言うが、それは石油も肥料、農薬、機械も、現在のように使えるという前提に立った試算である。

　危機時には,これらやその原料は輸入できない。危機というものを想像していない試算である。

　危機が長引いた場合、現状の農地面積では、現在の米の生産量約700万トンさえ生産・確保できない事態に陥るのである。

　そればかりではない。終戦後の食料難時には、戦争は終わっていた。農業生産自体が脅かされることはなかった。しかし、ウクライナのように国土が戦場になるときは、現在の農地さえ生産の用に供しえなくなり、生産が大幅に減少することを覚悟しなければならない。

　危機時の食料増産には、今の農業生産とは別の考慮が必要となる。現在の生産者は、石油なしの農業についての経験も技術もない。現在の形態の農業を保護するだけでは、食料危機時の生産に十分には役に立たないのかもしれない。

　備蓄されている石油（2021年3月現在、日本の石油備蓄は民間備蓄を含め247日分）を、経済全体でどのように配分するか優先順位を予め決定しておく必要がある。国民生活上の優先順位をつけたうえで、各産業に割当てなければならない。

　輸入途絶時に、国民に食料を供給するために最も必要なのは農地などの農業資源である。現在のような単収が期待できない以上、より多くの農地資源が必要である。終戦時、国民は小学校の運動場をイモ畑にして飢えをしのいだ。上野の不忍池しのばずのいけは水田となった。

　しかし、現在の都市の小学校の運動場はアスファルトで覆われ、土壌の生物等もいない死んだ土地となっており、イモも植えられない状態である。他方で、高度成長期以来、日本は森林を切り開いて多くのゴルフ場を建設してきた。食料危機には、これを農地に転換するのである。

⚫︎危機が起きる前に
　農地を確保するため、ゴルフ場、公園や小学校の運動場などを農地に転換しなければならない。どれだけの面積を確保する必要があるのか、大きなコストをかけないために、どこをどれだけ農地に転換していくのか、どのようにして土地の所有者や利用者の承諾を得るのかなど、危機が起きる前に真剣に検討しておくべきである。

　また、生産要素として、機械、化学肥料、農薬が使えない以上、労働でこれらを代替しなければならない。田植え機が使用できないので、手植えになる。経験のない人が作物を栽培することは容易ではない。

　終戦時には1600万を超える農民がいた。今は249万人しかいないうえ、彼らは農業機械等を使えない農業を経験していない。国民皆農を視野に入れた教育も考えなければならない。このときに与えられた条件の下で単収を最大限にする農業技術を検討するとともに、これを実際に活用できるような教育も考えなければならない。食育については基本法が作られるなど真剣に取り組まれているが、農育については、どうか？

　現在の農地と食料自給に必要な農地との差は600万ヘクタールを超える。九州と四国を合わせた面積に相当する農地を作り出すには限界がある。仮に農地など農業資源を確保しても、平時のような生産は期待できない。

さらに国土自体が戦場となる場合には、国内生産はいっそう深刻なダメージを受ける。これに対処するためには、平時における米の生産・輸出を、ここまで述べた以上に大幅に増やしておくしかない。

⚫︎危機時に混乱が生じないように
　また、コストの高い国産の小麦や大豆を生産するのではなく、小麦、大豆、トウモロコシ等を大量に輸入して備蓄しておく必要がある。とりわけタンパク質の供給源として大豆の備蓄は必須である。危機が去るまで、それをとり崩して生き延びるしかない。攻撃されても持ちこたえられるような保管施設も用意する必要がある。

　これまで農政は食料安全保障という概念を農業保護の方便として利用してきただけで、食料有事に備えた現実的・具体的な対策はほとんど検討していない。危機時に混乱が生じないように、マニュアルを詳細に決定し、それを国民に周知徹底する必要がある。

　農林水産省やJA農協に農政を任せてしまった結果、日本の食料安全保障は危機的な状況になっている。台湾有事になると日本は食料から崩壊する。攻撃する側からすれば、シーレーンを破壊すれば、日本の戦闘能力を奪うことができてしまう。国民は食料政策を自らの手に取り戻すべきだ。

　すぐにでも行うべきことがある。戦前陸軍省が農林省の減反政策案を潰したように、主食の米を減産する減反は安全保障と相いれない。これまで減反で多くの水田を潰した。食料安全保障のためにも、米の減反をただちに廃止すべきである。

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🚶‍♀️…右岸河川敷…隠元橋⇅…岡谷の津碑…駐屯地外周北西端…北側沿…東側沿…京大外周東側沿…同:南外周沿…瓦塚古墳前…駐屯地南外周沿…駐屯地南西端…右岸堤防道…Alp…右岸堤防道…>

🚶‍♀️12642歩

☁️:曇天で直射無しだが蒸す暑さ:隠元橋33℃

Alp:かき氷器をつい見る。エディオン消耗品確認

🌡ベランダ32.7〜24.7℃

岡谷の津碑

瓦塚古墳

宇治川右岸48.8km付近より上流