素粒子物理学の標準模型を超える新しい物理学は存在するのか？

新しい粒子や力の存在を予測することに大きな成功を収めたとはいえ、50年以上前に自然の最小構成要素を説明するために考案された素粒子物理学の標準模型は、物理学者たちが待ち望んでいた完全な「万物の理論」ではない。

この理論にはいくつかの問題がある。重力も、宇宙のエネルギー密度の大部分を占める未知の構成要素である暗黒物質と暗黒エネルギーも説明できない。そのため素粒子物理学者たちは、新しい物理学のヒントになるような「予想された」振る舞いからの逸脱を探す宝探しをしている。

そして今、アメリカのフェルミ研究所にあるミューオンg-2実験で働く物理学者の国際的な大規模チームが、ある基本粒子がどのように揺らいでいるかを測定した。

この結果はまだ査読を受けていないが、『Physical Review Letters』誌に投稿されたもので、2021年の結果を裏付けるものであり、理論物理学における巨大なパズルに光を当てるものである。

標準模型の基本的な構成要素のひとつはミューオンであり、電子に似ているが200倍以上の質量を持つ粒子である。ミューオンには素粒子物理学に革命をもたらした長い歴史がある。

私たちの実験は、この粒子が1.45テスラの磁場とどのように相互作用するかを研究している。これによりミューオンは、磁場の強さに比例して、回転するコマのようにぐらつく。

実験では数十億個のミューオンが生成され、蓄積リングと呼ばれる直径14メートルの円形磁石に蓄積される。最終的にミューオンは電子に崩壊し、リングの内側にある検出器でカウントされる。

検出される電子の数は、ぐらつきの速度に比例して変化する。つまり、電子を数えればミューオンの揺れの割合がわかるのだ。そして、電子の数を数えれば数えるほど、測定はより正確になる。

ミューオンのふらつきと磁場の相互作用は、”g”と呼ばれる無次元定数、ジャイロ磁気比によって定量化される。物理学者Paul Diracはその値をg=2と予言した。しかし、量子力学によれば、標準模型が依拠する素粒子の世界を支配する理論は、何もない空間は「仮想」粒子で満たされており、それらは一瞬現れ、消滅によって再び消えるというものである。

これらの粒子はミューオンと磁場との相互作用に影響を与え、gを2よりわずかに増加させる。この違いを研究する実験が「g-2」と名付けられたのはこのためである。標準模型に欠けているピースがあれば、予測される値よりもわずかに高いか低いかだけ、その割合が変化することになる。

2004年、アメリカのブルックヘブン国立研究所で行われた測定で、ぐらつきが予想よりもわずかに速く、何か新しい現象を示唆する可能性があることが発見され、話題となった。この値は2021年4月にフェルミ研究所で再び測定され、元の測定値を確認し、実験と理論の間のギャップを大きくした。

今、2019年と2020年に収集されたデータを用いたフェルミ研の新しい結果は、2021年の結果の4倍のミューオンを調べ、不確かさの合計を2分の1にした。これによって、この測定はミューオンのゆらぎのこれまでで最も正確な決定となった。

精度の向上

実際には、この実験は単にミューオンを数えるよりもはるかに難しい。統計的な不確かさが減少した一方で、測定の精度をさらに高めるためには他の改善が必要だった。磁場の方向がふらつきの軸を決めるため、磁石の温度変動を抑えることが非常に重要だった。

温度差は磁石の膨張と収縮を引き起こし、磁場をわずかに変化させる。私たちの精度レベルでは、1,000分の1ミリメートルの変化でも、ぐらつきに大きな影響を与える可能性がある。このため、リングの周囲には防寒コートが、実験ホールには冷却システムが設置された。

もう一つの課題は、リング内のミューオンが完全な円軌道に留まることを望まず、むしろリングのあらゆる領域を泳ぎ回って探索したがるという事実だ。そのため私たちは、ビームを適切な場所に押し出す高電圧システムをアップグレードした。

従来、素粒子物理学者はシグマと呼ばれる統計的尺度を用いて、2つの結果（例えば理論値と実験値）がどの程度一致するかを見積もる。シグマは、どのような違いも統計的な偶然である可能性を見積もることができる。しかし今回は、どの標準模型の予測と結果を比較すべきかがますます不明確になってきているため、この方法は意味をなさない。

ミューオンg-2理論イニシアチブと呼ばれる理論家の共同研究は、2020年にその値を計算した。シグマは4.2となり、この結果がまぐれである可能性は40,000分の1であることが示唆された。しかし、それ以来、新たな予測をもたらす進展があった。1つは別の理論家グループによる新しいアプローチによるものである。

また、ロシアのCMD-3共同研究による最新の実験測定も行われ、新たな計算に反映されることになる。これらは2020年の値を修正し、標準模型に近づける可能性がある。

理論が理論に一致しないような、大きな課題が双方にあることは明らかだ。我々の共同研究チームは現在、2025年に期待される最終的な実験結果に向けて取り組んでいる。しかし、理論的な論争が解決されるまでは、この矛盾の解釈には疑問の雲が垂れ込めるだろう。

考えられる結果は2つある。最終的に理論と実験が一致しなくなり、新しい粒子や自然の力がずっとここに隠れていたということになるかもしれない。これは、標準模型が最終的に失敗し、更新が必要になることを意味する。あるいは、更新された予測によってギャップが縮まり、標準模型にとって大きな前進となる。

いずれにせよ、今回の超精密測定は、最終決戦の舞台となる。

本記事は、Dominika Vasilkova氏、Ce Zhang氏、Elia Bottalico氏、Saskia Charity氏らによって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Is there new physics beyond the Standard Model of particle physics? Our finding will help settle the question」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。