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10年にわたる科学と何兆回もの衝突により、Wボソンが予想以上に巨大であることが判明 – 標準模型にとってどのような意味を持つのか、チームの物理学者が解説

「早くやるか、安くやるか、正しくやるか。我々は正しいことをしたのだ。」これは、フェルミ研究所の衝突型検出器のリーダーであるDavid Tobackが、Wボソンと呼ばれる粒子の質量を測定する10年にわたる実験の結果を発表した際の冒頭の発言である。

私は高エネルギー素粒子物理学者で、イリノイ州のフェルミ研究所にある衝突型加速器検出器(通称CDF)を建設・運営する何百人もの科学者からなるチームの一員だ。

今回、何兆回もの衝突と何年にもわたるデータ収集と数値計算の結果、CDFチームはW粒子の質量が予想よりわずかに多いことを発見した。その食い違いは微々たるものだが、2022年4月7日にScience誌に掲載された論文に記載されたこの結果は、素粒子物理学の世界に衝撃を与えている。もしこの測定が正しければ、宇宙の仕組みに関する物理学のパズルに欠けているピースがあるという、また別の強いシグナルとなるのだ。

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素粒子物理学の標準模型は、宇宙の質量と力を構成する粒子を記述したもの。(Credit: MissMJ/WikimediaCommons)

弱い力を担う粒子

素粒子物理学の標準模型は、宇宙の基本法則を示す科学で現在最も優れた枠組みであり、電磁力、弱い力、強い力という3つの基本的な力を記述している。

強い力は原子核を結びつけている。しかし、原子核の中には不安定なものがあり、放射性崩壊を起こし、粒子を放出することでゆっくりとエネルギーを放出する。1900年代初頭から、物理学者は原子がなぜ、どのように崩壊するのかを説明する方法を探っていた。

標準模型によると、力は粒子によって伝達される。1960年代、一連の理論と実験の飛躍的な進歩により、弱い力はWボソンとZボソンという粒子によって伝達されることが提唱された。また、WボソンやZボソンを含む他のすべての粒子に質量を与えているのは、第3の粒子であるヒッグス粒子であると仮定した。

1960年代に標準模型が登場して以来、科学者たちは、予測されたもののまだ発見されていない粒子をリストアップし、その特性を測定してきた。1983年、スイスのジュネーブにあるCERNで行われた2つの実験が、Wボソンの存在を示す最初の証拠を捉えた。その質量は、臭素のような中型の原子に匹敵する大きさであった。

2000年代に入ると、標準模型を完成させ、すべてを結びつけるための1つのピース、ヒッグス粒子が見つかった。私は3回の実験でヒッグス粒子の探索を手伝い、2012年についにCERNの大型ハドロン衝突型加速器で発見したのだ。

標準模型は完成し、私たちが行ったすべての測定は見事に予言と一致したのだ。

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フェルミ研究所の衝突型検出器は、何百万ものWボソンを生成する何兆回もの衝突からデータを収集した。(Bodhita/WikimediaCommonsCC BY-SA)

Wボソンを測定する

標準模型のテストは楽しいものだ。粒子を非常に高いエネルギーでぶつけるだけ。この衝突によって、一時的に重い粒子が生成され、それが崩壊して軽い粒子に戻るのだ。物理学者はフェルミ研究所やCERNにある巨大で非常に感度の高い検出器を使って、これらの衝突で生成される粒子の特性や相互作用を測定している。

CDFでは、陽子と反陽子が衝突すると、約1000万回に1回の割合でWボソンが生成される。反陽子は陽子の反物質版で、質量は全く同じだが電荷が反対である。陽子はクォークと呼ばれる小さな基本粒子でできており、反陽子は反クォークでできている。クォークと反クォークの衝突によって、Wボソンが生成される。Wボソンは非常に速く崩壊するので、直接測定することは不可能である。そこで物理学者は、Wボソンの崩壊で生じるエネルギーを追跡し、Wボソンの質量を測定している。

科学者が初めてWボソンの証拠を発見してから40年、次々と実験が行われ、Wボソンの質量をより正確に測定することに成功した。しかし、ヒッグス粒子が他のすべての粒子に質量を与えるため、研究者はWボソンの質量の測定値を、標準模型が予測する質量と照らし合わせることができるようになったのは、ヒッグス粒子が測定されてからのことである。これまでは、予測と実験が常に一致していたのだ。

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Wボソンの新しい測定値(赤丸)は、標準模型が予測する質量(紫線)からかなり離れており、また実験による予備的な測定値よりも大きいことがわかる。(Credit: CDF Collaboration via Science MagazineCC BY)

意外と重い

フェルミ研究所のCDF検出器は、Wボソンを正確に測定することに優れている。2001年から2011年にかけて、この加速器は陽子と反陽子を何兆回も衝突させ、何百万ものWボソンを生成し、それぞれの衝突からできる限り多くのデータを記録した。

フェルミ研究所のチームは、2012年にデータのごく一部を使って最初の結果を発表した。質量はわずかにずれるが、予測に近いことがわかった。その後、チームは10年をかけて全データを丹念に分析した。その過程では、所内で何度もクロスチェックを行い、何年にもわたるコンピューターシミュレーションを必要とした。解析にバイアスがかからないように、完全な計算が終わるまで誰も結果を見ることができない。

2022年4月7日、物理学の世界がついにその結果を目にしたとき、私たちは皆、驚いた。物理学者は、素粒子の質量を数百万電子ボルト(MeV)の単位で測定している。Wボソンの質量は80,433MeVで、標準模型が予測する質量よりも70MeV高いことがわかった。これは小さな誤差のように思えるかも知れないが、この測定は9MeV以内の精度で行われています。これは、誤差の8倍近い偏差だ。この結果を見たとき、私と同僚は “すごい!”という反応だった。

標準模型にとって意味すること

Wボソンの質量が標準模型で予測される質量と一致しないということは、3つのことを意味していると考えられる。数学が間違っているか、測定が間違っているか、標準模型に何か欠けているものがあるかだ。

まず、数学だ。Wボソンの質量を計算するために、物理学者はヒッグス粒子の質量を使用する。CERNの実験により、物理学者はヒッグス粒子の質量を1/4パーセントの精度で測定することができた。さらに、理論物理学者は何十年にもわたってWボソンの質量の計算に取り組んできた。数学は高度なものだが、予測は確かなものであり、変わることはないだろう。

次に考えられるのは、実験や解析に欠陥があることだ。すでに世界中の物理学者がこの結果を検証し、穴を開けようとしている。さらに、今後CERNで行われる実験では、いずれより正確な結果が得られ、フェルミ研究所の質量が確認されるか、あるいは反論されるかもしれない。しかし、私見では、この実験は現在可能な限り良い測定結果だと思っている。

そうすると、最後の選択肢が残る。Wボソンの質量を上方にシフトさせる原因として、説明のつかない粒子や力が存在するということだ。この測定が行われる以前から、理論家の中には、観測されたずれをもたらすような新しい粒子や力の可能性を提案する人がいた。今後数ヶ月、数年のうちに、Wボソンの不可解な質量を説明しようとする新しい論文が続々と発表されることだろう。

素粒子物理学者として、私は自信を持って、標準模型を超える物理が発見されるのを待っているに違いないと言っている。もしこの新しい結果が支持されれば、標準模型と実際の測定値がしばしば完全に一致しないことを示す一連の発見の中で、最も新しいものとなるだろう。このような謎は、物理学者に新たな手がかりを与え、物質、エネルギー、空間、時間の完全な理解を求めて探求を続ける新たな理由となるのである。


本記事は、John Conway氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「A decade of science and trillions of collisions show the W boson is more massive than expected – a physicist on the team explains what it means for the Standard Model」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。

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