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電子の磁気モーメントを最も精密に測定することに成功

素粒子物理学の標準モデルは、物質の青写真がどのようなものであるかについての現在の最良の推測である。その中でも、電子の磁気モーメントほど正確な予測はない。

正確に予測されているだけでなく、あらゆる粒子の特性の中で最も正確に測定されているのだ。そして、この2つの値は近いが、完全に重なるわけではなく、新しい物理のヒントを与えてくれる。

我々は、電子の磁気モーメント(簡単に言えば、電子が小さな磁石のようにどれだけ強く振る舞うか)のより正確な値を知ることで、物理学の構成要素やその相互作用について、より深く理解できる日が来るかも知れない。

このたび、ハーバード大学とノースウェスタン大学の物理学者が、その精度の限界をさらに押し上げることに成功した。彼らの最近の実験では、1兆分の0.13の精度で値を出すことが出来たとのことだ

「この新しい値は、14年間続いた値よりも2.2倍も正確であり、一致しています」と、研究者たちは発表した論文の中で書いている。

「我々の決定と標準モデルの計算は、10倍以上の精度を持つテストに十分な精度を持っています」

新しい電子磁気モーメントの値を得るために、研究チームは、ペニングトラップとして知られる高度に制御されたチャンバーに単一の電子を吊り下げた。

研究チームは、この実験室を絶対零度近くまで冷やした後、磁場を用いて電子のエネルギー準位間の「量子ジャンプ」を測定することが出来たという。

標準モデルの方程式は、微細構造定数と呼ばれるものを計算する方法を提供している。この定数は、原子を結合する電磁力の基礎となるもので、物理学上、非常に重要な意味を持つ(1/137に相当)。

この方程式は、電子の磁気モーメントを非常に高い精度で予測するため、実験室での測定は、標準モデルが現実を反映しているかどうかの決定的なテストになっている。

しばらく前から、電子の磁気モーメントの測定値は、荷電した点状粒子の標準モデルの予測値よりもわずかに大きいままであり、解決すべき魅力的な異常が発生していた。

今回の結果は、この矛盾の10分の1の誤差範囲であり、未知の物理を強く示唆するものだ。

PenningTrap
実験装置の一部。(Fan et al., Physical Review Letters , 2023)

予測と実験結果の両方を微調整することで、私たちがまだ知らない新しい粒子や相互作用の存在を示唆する値を得ることができるかも知れない。

研究者たちは、μ/μB(ボーア磁子との比較)で表されるこの測定法をさらに改善するためのアイデアをすでに持っている。それによって、素粒子物理学の標準モデルの最終的な完成にますます近づいているのだ。

研究者たちは、「より安定した装置、改善された統計、よりよく理解された不確実性が実証されれば、μ/μBの精度をはるかに向上させることは可能であると思われます」と、書いている。


論文

参考文献

研究の要旨

電子の磁気モーメント(−μ/μB=g/2=1.001  159 652  180 59 (13) [0.13 ppt], )が、14年間続いた値より2.2倍正確に決定された。最も精密に決定された素粒子の性質は、標準モデル(SM)の最も正確な予測を1/1012まで検証する。もし、微細構造定数の不一致による不確かさがあれば、テストは一桁改善されるだろう。α の関数であるため、SMの予測は排除される。 新しい測定と SM 理論を組み合わせて予測する、α−1=137.035 999 166 (15) [0.11 ppb]の間の現在の不一致よりも不確実性が10倍小さいα値で表示される。

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