昨年、素粒子物理学会に衝撃が走った。厳密な実験の結果、宇宙の4つの基本的な力の1つを担う基本粒子が、予測よりも重かったのだ。
Wボソンの質量が理論値と実験値の間に食い違いがあることが発見され、物質の振る舞いを記述する理論的青写真である「標準模型」を超える新たな洞察がもたらされることになった。
今回、研究者らは最新の技術を使って再び同じ計算を行ったが、そこで、この粒子の質量が標準模型の予測に近いことが確認された。
これは、昨年物理学会に衝撃を与えた結果とは異なり、私たちの持つ現在の素粒子物理学の理論が見直す必要がないことを意味するが、これは安堵と共にいくらかの失望を与える物である。素粒子物理学の標準模型は、私たちを取り巻く宇宙の仮説的な解釈であることに変わりはないが、これまでのところ、私たちが行った一連のテストによく耐えている。だが、標準模型は、例えば暗黒物質や重力さえも説明できないのだ。
Wボソンは直接測定できないが、崩壊するときに放出される質量とエネルギーは測定出来る。そのため、衝突した粒子がどのように結合しているのかを知るための、確かな出発点となる考え方が必要だ。
最新の研究では、スイスのCERNにある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験による2011年のデータを、プロセスの理解向上に基づき修正した統計的手法で再解析した。
研究者によると、この新しい測定値は、従来よりも16％精度が高く、不確実性も低いため、現在閉鎖されている米国イリノイ州のテバトロン衝突型加速器の2022年の測定結果に疑問を投げかけるものとなっている。
「検出器の理解や、電弱やトップクォークのバックグラウンド過程からの寄与の影響は変わっていませんが、データからWボゾンの質量を抽出するための統計的枠組みで大きな進歩がありました」と研究者は記している。
この新しい研究のために、研究チームは、Wボソンがより軽い粒子である電子、ミューオン、ニュートリノに分解される粒子衝突イベントに集中した。2017年に収集された追加データは、この研究結果を検証するのに役立った。
テバトロンの測定結果は80.4335ギガ電子ボルトであり、標準模型で予測される80.357ギガ電子ボルトとは一見小さいが大きな差がある。最新のWボソンの質量測定値は80.360ギガ電子ボルトで、理論的に予測される質量にはるかに近づいた。
Wボソンのようなゲージボソンは、粒子の一種として、他の基本粒子間の相互作用を本質的に促進します。WボソンはZボソンとともに、放射性崩壊や核融合などのプロセスで重要な役割を果たしている。
CERN研究所のATLASチームの素粒子物理学者Andreas Hoecker氏は、「粒子の崩壊でニュートリノが検出されないため、W質量測定はハドロン衝突型加速器で行われる精密測定の中で最も難しいもののひとつです。測定された粒子のエネルギーとモーメントを極めて正確に校正し、モデリングの不確かさを慎重に評価し、うまくコントロールすることが必要です」と述べている。
これは今のところ予備的な知見に過ぎないということを念頭に置いておく必要がある。現在、より新しいデータでさらなる検証が行われている。もし、標準模型がWボソンの質量を間違えていることが判明すれば、まだ発見されていない粒子や力が作用していることを示唆することになる。しかし、今のところ、この基本的な仮説は間違っていないようだ。
「ATLASによるこの最新の結果は、厳しいテストを提供し、電弱相互作用に関する我々の理論的理解の一貫性を確認するものです」とHoecker氏は述べている。
論文
- CERN: Improved W boson Mass Measurement using 7 TeV Proton-Proton Collisions with the ATLAS Detector
参考文献
- CERN: Improved ATLAS result weighs in on the W boson
- ATLAS: New ATLAS result weighs in on the W boson
- via ArsTechnica: New value for W boson mass dims 2022 hints of physics beyond Standard Model
研究の要旨
Wボソンの質量は、新物理の効果をモデル非依存で探ることができるため、素粒子物理学の標準モデルの最も興味深い基本パラメータの1つである。この研究では、2011年にATLAS検出器によって質量中心エネルギー7TeVで記録された陽子-陽子データを、LHCでの最初のWボソン質量測定に使用した、プロファイル尤度アプローチに基づく高度なフィッティング技術によって再解析しました。これにより、いくつかの系統的な不確かさを低減することができた。近年の陽子のパントン密度関数のモデリングの進歩も考慮され、より最新のPDFセットがベースラインとして選択された。更新された測定結果は、W=80360±5(stat.)±15(syst.)=80360±16MeVという予備値をもたらし、最初の不確かさ成分は統計的で、2番目は実験と物理モデリングの系統的不確かさに相当する。この結果は発表値と互換性があり、その不確かさは15%改善された。
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