物理学者が宇宙の謎を解明する手がかりを探す方法のひとつに、物質を粉砕してその破片を調べるというものがある。しかし、この種の破壊実験には、非常に有益ではあるが限界がある。
私たちは、スイスのジュネーブ近郊にあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器を使って原子核物理学と素粒子物理学を研究している2人の科学者である。国際的な原子核・素粒子物理学者グループと協力しながら、私たちのチームは、これまでの研究データの中に驚くべき革新的な実験が隠されていることに気づいた。
『Physical Review Letters』誌に掲載された新しい論文で、私たちは同僚たちとともに、タウと呼ばれる粒子がどれくらい速くゆらぐかを測定する新しい方法を開発した。
私たちの新しいアプローチは、加速器に入射する粒子が正面衝突でぶつかり合う時間ではなく、互いにすれ違う時間に注目するものである。驚くべきことに、このアプローチによって、タウ粒子のゆらぎをこれまでの手法よりもはるかに正確に測定することが可能になった。タウの磁気モーメントとして知られるこの揺らぎを科学者が測定したのは、この20年近くで初めてのことである。
なぜ揺らぎを測定するのか？
原子の構成要素である電子には、ミュー粒子とタウ粒子と呼ばれる2つの重い従兄弟がいる。タウはこの3つの仲間の中で最も重く、極わずかな時間しか存在しないため、最も神秘的である。
興味深いことに、電子、ミュー粒子、タウ粒子を磁場の中に置くと、これらの粒子は、回転するコマがテーブルの上でぐらつくのと同じようにぐらつく。この揺れは粒子の磁気モーメントと呼ばれる。素粒子がどのように相互作用するかについての科学者の最良の理論である素粒子物理学の標準模型を用いて、これらの粒子がどれくらいの速さでふらつくかを予測することは可能である。
1940年代以来、物理学者たちは量子の世界における興味深い効果を明らかにするため、磁気モーメントの測定に関心を寄せてきた。量子物理学によれば、粒子と反粒子の雲は常に存在しては消えている。これらの一瞬の揺らぎが、磁場内で電子、ミュー粒子、タウ粒子が揺れ動く速度をわずかに変化させる。この揺らぎを非常に正確に測定することで、物理学者はこの雲を覗き込み、未発見の粒子のヒントを発見することができる。
電子、ミュー粒子、タウ粒子のテスト
1948年、理論物理学者のJulian Schwingerが、量子雲が電子の磁気モーメントをどのように変化させるかを初めて計算した。それ以来、実験物理学者たちは電子の揺らぎの速度を小数点以下13桁まで測定してきた。
粒子が重ければ重いほど、その量子雲に潜む未発見の新粒子のために、その揺らぎはより大きく変化する。電子は非常に軽いため、新しい粒子に対する感度は限られている。
ミュー粒子とタウ粒子は電子よりもはるかに重いが、寿命も短い。ミューオンはほんのマイクロ秒しか存在しないが、シカゴ近郊のフェルミ研究所の科学者たちは2021年にミューオンの磁気モーメントを小数点以下10桁まで測定した。彼らは、ミューオンが標準模型の予測よりも明らかに速く揺らいでいることを発見し、ミューオンの量子雲の中に未知の粒子が出現している可能性を示唆した。
タウはミュー粒子の17倍、電子の3500倍も重い。そのため、量子雲の中の未発見の可能性のある粒子に対してより敏感である。しかし、タウ粒子はミュー粒子の100万分の1の時間しか存在しないため、最も見えにくい粒子でもある。
現在までのところ、タウ粒子の磁気モーメントの最良の測定は、CERNの電子衝突型加速器を使って2004年に行われた。信じられないような科学的偉業ではあるが、何年もかけてデータを集めたこの実験では、タウの揺らぎの速度を小数点以下2桁までしか測定できなかった。残念ながら、標準模型を検証するためには、物理学者はその10倍の精度で測定する必要がある。
ニアミス物理学のための鉛イオン
2004年のタウ粒子の磁気モーメントの測定以来、物理学者たちはタウ粒子のぐらつきを測定する新しい方法を模索してきた。
大型ハドロン衝突型加速器は通常、2つの原子の原子核を衝突させる。このような正面衝突は、タウを含む破片の花火大会を作り出すが、ノイズの多い条件下では、タウの磁気モーメントを注意深く測定することはできない。
2015年から2018年まで、CERNでは主に核物理学者が正面衝突で生成されるエキゾチックなホットマターを研究できるように設計された実験が行われていた。この実験で使われた粒子は、電子を取り除いた鉛の原子核で、鉛イオンと呼ばれる。鉛イオンは電荷を帯びており、強い電磁場を発生させる。
鉛イオンの電磁場には光子と呼ばれる光の粒子が含まれている。2つの鉛イオンが衝突すると、その光子も衝突し、すべてのエネルギーを1組の粒子に変換することができる。科学者がミュー粒子を測定するために使用したのは、この光子衝突であった。
これらの鉛イオンの実験は2018年に終了したが、私たちの一人であるJesse Liuがイギリスのオックスフォードにいる素粒子物理学者Lydia Beresfordとチームを組み、同じ鉛イオンの実験から得られたデータをタウの磁気モーメントの測定という新しいことに使える可能性があることに気づいたのは2019年になってからだった。
この発見はまったくの驚きだった。それは次のようなものだ：鉛イオンは非常に小さいので、衝突実験ではしばしば互いにすれ違う。しかし時折、イオンは触れずにすぐ近くを通過することがある。このような場合、イオンが陽気な道を飛び続ける一方で、付随する光子がぶつかり合うことがある。
このような光子の衝突によって、先ほどの実験のミュー粒子や、タウ粒子のような様々な粒子が生成される。しかし、正面衝突によって生じるカオス的な花火がないため、これらのニアミス現象ははるかに静かで、とらえどころのないタウの特徴を測定するのに理想的である。
私たちの興奮をよそに、研究チームが2018年のデータを振り返ってみると、確かにこれらの鉛イオンのニアミスはタウ粒子を生成していた。新たな実験が見え隠れしていたのだ！
20年ぶりにタウ粒子の揺らぎを測定
2022年4月、CERNの研究チームは、鉛イオンがニアミスした際に生成されたタウ粒子の直接的な証拠を発見したと発表した。そのデータを使って、チームはタウの磁気モーメントも測定することができた。このような測定は2004年以来初めてである。最終結果は2023年10月12日に発表された。
この画期的な結果は、タウ粒子の揺らぎを小数点以下2桁まで測定したものである。驚いたことに、この方法は、2018年に記録されたわずか1ヶ月のデータを使ったこれまでの最高測定値に並んだ。
20年近く実験的な進歩がなかった後、この結果は、標準模型の予測を検証するために必要な精度の10倍向上に向けて、まったく新しい重要な道を開いた。エキサイティングなことに、さらなるデータが控えている。
大型ハドロン衝突型加速器は、定期的なメンテナンスとアップグレードを経て、2023年9月28日に鉛イオンのデータ収集を再開したばかりである。私たちのチームは、2025年までに鉛イオンのニアミスデータのサンプル数を4倍に増やす予定です。このデータの増加により、タウの磁気モーメントの測定精度は2倍になり、解析手法の改善によりさらに向上する可能性がある。
タウ粒子は、謎に包まれた量子の世界への物理学者にとって最高の窓のひとつであり、私たちは、今後の結果が宇宙の基本的性質について明らかにするかもしれない驚きに興奮している。
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