素粒子であるWボソンの質量の新しい測定値は、予想を覆すものだった。 この結果は、標準模型として知られている、私たちの世界の基本的な断片に関する物理学の他の強固な理論に欠陥がある可能性を示唆している。
これまでの理論では、Wボソンの質量は約80,357百万電子ボルト(MeV)であると予測されている。しかし、新たに測定された質量は80,433.5MeVと、より大きいことが、フェルミ研究所の衝突型検出器（CDF）の物理学者たちによって、4月7日付の『Science』誌で報告された。これは、これは、362kgのゴリラの体重が42g増えることに相当する。
この結果は素粒子物理学の標準模型と「重大な緊張関係にある」のだという。つまり、これまでで最も成功した科学理論が間違っている可能性があるということだ。
もちろん、科学には確証が必要である。「これは興味深い結果ですが、この測定結果を完全に解釈する前に、別の実験によって確認する必要があります」とフェルミラボ副所長のJoe Lykken氏は述べている。
ほぼすべての物理学者は、すべての物質は17個の素粒子の何らかの組み合わせでできていると確信している。Wボソンは4つの素粒子のうちの1つで、4つの基本的な力のうちの3つを担っている（4つ目は重力で、標準模型では説明できない）。これらの力は、残りの素粒子が互いにどのように相互作用するかを制御する役割を担っている。
Wボソンは、陽子を中性子に変化させる「弱い相互作用」と呼ばれる力の一翼を担っている。弱い相互作用によって、水素原子が融合してヘリウムになることで、太陽は輝くことができるのだ。宇宙の歴史を通じて、同じ基本的なプロセスで、人間が作られる炭素や酸素など、宇宙のすべての重い原子が作られてきた。
フェルミ研究所のテバトロン衝突型加速器で生成される高エネルギー粒子衝突を利用して、CDF共同研究は1985年から2011年にかけてWボソンを含む膨大な量のデータを収集した。
Wボソンの質量は、陽子の質量の約80倍、約80,000MeV/c2だ。CDFの研究者たちは、20年以上にわたってWボソンの質量をより正確に測定することに取り組んできた。最新の質量測定の中心値と不確かさは、80,433 +/- 9 MeV/c2である。この結果は、フェルミ加速器にあるテバトロン衝突型加速器から収集された全データセットを用いている。この結果は、2012年に発表された解析の約4倍にあたる420万個のWボソン候補の観測に基づいている。
CDFの共同提案者であるイタリア国立核物理研究所（INFN-Pisa）のGiorgio Chiarelli氏は、「多くのコライダー実験が過去40年にわたってWボゾンの質量を測定してきました。これらは挑戦的で複雑な測定であり、これまで以上に高い精度を達成しました。すべての詳細と必要なチェックを行うのに、何年もかかりました。これまでで最も堅牢な測定であり、測定値と期待値の間の不一致は続いています。」と述べている。
共同研究者はまた、彼らの結果を、80,357 ± 6 MeV/c2である標準模型を使ったWボゾンの質量に期待される最良の値と比較した。この値は、Wボゾンの質量を、1995年にフェルミ研究所のテバトロン衝突型加速器で発見されたトップクォークと、2012年にCERNの大型ハドロン衝突型加速器で発見されたヒッグス粒子の質量の測定値と複雑に関連付ける、標準理論の複雑な計算に基づいているとのことだ。
CDFの共同提案者であるテキサスA&MのDavid Toback氏は、この結果は標準模型の正確さを検証する上で重要な貢献であると述べている。「この謎を解明できるかどうかは、理論物理学のコミュニティと他の実験次第です。もし、実験値と期待値の差が、可能性の一つである、ある種の新しい粒子や素粒子の相互作用によるものであれば、それは、将来の実験で発見される可能性が十分にあります。」と、彼は付け加えている。
研究の要旨
素粒子間の弱い力を媒介するWボソンの質量は、素粒子物理学の標準模型の対称性によって厳しく制約されている。ヒッグス粒子は、この標準模型の最後の欠落部分であった。ヒッグス粒子が観測された後、W粒子の質量を測定することで、標準模型を厳密に検証することができる。フェルミ研究所テバトロン加速器のCDFII検出器を用いて、質量中心エネルギー1.96テラ電子ボルトの陽子・反陽子衝突で収集した8.8逆フェムトバーンに相当する積算光度データを用いて、Wボソン質量MWを測定する。約400万個のWボソン候補のサンプルを用いて、
𝑀𝑊=80,433.5±6.4stat±6.9syst=80,433.5±9.4 MeV/c2その精度はこれまでのすべての測定値を合計した値を超えている。（stat, 統計的不確かさ; syst, 系統的不確かさ; MeV, メガ電子ボルト; c, 真空中の光速）。この測定は、標準模型の予想と大きく異なる。
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