来週、物理学者は新しい物理学の古い探求を取り上げます。イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) の 190 人の研究者チームは、ミューオンと呼ばれる一時的な粒子の磁性を非常に正確に測定し始めます。彼らは、素粒子物理学の一般的な標準モデルによって予測されるよりも、粒子がわずかに強い磁性を持っていることを示唆する実験の初期の化身から、興味をそそるヒントを固めたいと考えています。これにより、研究者が何十年も待ち望んでいたもの、つまり標準モデルを超えた物理学の証明が得られるでしょう。
ワシントン大学シアトル校の物理学者であり、ミュオン g-2 (ジーマイナスツー」）。スイスのジュネーブ近郊にある世界最大の原子粉砕機である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) が、標準モデルを超える粒子をまだ爆発させていないため、物理学者はますます窮地に立たされていると感じています。しかし、g-2 は、粒子が重すぎて LHC によって生成されないという間接的な証拠を提供する可能性があります。
ミュー粒子は、電子のより重くて不安定ないとこです。帯電しているため、磁場の中で回転します。各ミューオンもミニチュアの棒磁石のように磁化されています。ミュオンをその磁化の向きに垂直な磁場に置くと、その磁気極性は回転するコンパスの針のように回転または歳差運動します。
一見したところ、理論によると、磁場内ではミュー粒子の磁気は粒子自体が周回するのと同じ速度で歳差運動する必要があるため、飛行方向に偏極し始めると、軌道全体でその方向に固定されたままになります。しかし、量子の不確かさのおかげで、ミューオンは継続的に他の粒子を放出したり再吸収したりします。存在したり消えたりする粒子のかすみは、ミューオンの磁気を増加させ、周回よりわずかに速く歳差運動させます。
ミュー粒子はあらゆる粒子を放出および再吸収できるため、その磁性によって、LHC で作成するには大きすぎる新しい粒子も含めて、考えられるすべての粒子が集計されます。アーバナにあるイリノイ大学の理論家である Aida El-Khadra は、他の荷電粒子もこの目に見えない動物園のサンプルになる可能性があると述べています。しかし、彼女は、「ミュオンは、長寿命であるほど軽く、新しい物理学に敏感であるほど重いというスイートスポットに到達します。」
1997 年から 2001 年にかけて、ニューヨーク州アプトンにあるブルックヘブン国立研究所で最初の g-2 実験を担当した研究者は、超伝導磁石に挟まれた直径 45 メートルのリング状の真空チャンバーに数千個の粒子を発射することによって、この約束をテストしました。
数百マイクロ秒以上で、正に帯電したミューオンは陽電子に崩壊し、ミューオンの分極の方向に放出される傾向があります。物理学者は、リングの端に並んだ検出器で陽電子を監視することで、ミュー粒子の歳差運動を追跡できます。
g-2 チームは、2001 年にミュオンの磁気がわずかに過剰であることを最初に報告しました。理論家が標準モデルの予測に単純な数学の誤りを発見したため、その結果はすぐに薄れました (Science 、2001 年 12 月 21 日、p. 2449）。それでも、チームが 2004 年にブルックヘブンの最後のデータを報告するまでには、矛盾が再び現れていました。それ以来、理論家が標準モデルの計算を改善したため、結果は大きくなりました。彼らは、ミュオンがハドロンと呼ばれる粒子を放出して再吸収するプロセスを説明するのに苦労していたと、フランスのオルセーにあるパリ南大学の理論家、Michel Davier は言う。電子陽電子衝突型加速器からのデータを使用することで、理論家たちはこの最大の不確実性を軽減することができたと彼は言います。
物理学者は実験の不確実性 σ の倍数で信号の強度を測定し、現在、その不一致は 3.5 σ であり、発見を主張するのに必要な 5 σ には達していませんが、再試行する価値があるほど興味深いものです。
2013 年、g-2 チームはブルックヘブンからフェルミ研究所までの 5,000 キロメートルのオデッセイに実験を持ち込み、はしけで米国の東海岸を回り、ミシシッピ川を遡りました。それ以来、彼らは磁場を 3 倍均一化し、フェルミ研究所では、はるかに純粋なミュー粒子ビームを生成できるようになりました。 「これはまったく新しい実験です」と、ボストン大学の g-2 物理学者である Lee Roberts は言います。 「すべてが良くなりました。」
ロバーツ氏によると、チームは 3 年間で、ブルックヘブン時代の 21 倍のデータを収集することを目指しています。 Hertzog 氏によると、来年までに、チームは最初の結果に十分なデータが得られることを望んでおり、これにより、差異が 5 σ を超える可能性があります。
ミューオンは新しい物理学への入り口になるのでしょうか?カリフォルニア州メンロパークにある SLAC 国立加速器研究所の理論家 JoAnne Hewett 氏は、賭けに躊躇しています。 「私の物理学の生涯では、標準モデルからの 3-σ 偏差はすべて解消されました」と彼女は言います。 「あの荷物がなかったら、私は用心深く楽観的だったのに。」
