素粒子の振る舞いの明らかな異常が大きな物理学のブレークスルーへの期待を高めてから 20 年後、新しい測定値がそれらを固めました:シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所の物理学者は今日、ミューオン (電子に似た素粒子) が予想以上にぐらついたことを発表しました。磁化リングの周りを鞭打ちながら。
広く期待されていた新しい測定値は、世界中の見出しを飾った数十年前の結果を裏付けています。ミュオンのぐらつき、または磁気モーメントの両方の測定値は、132 人の理論物理学者の国際コンソーシアムによって昨年計算された理論的予測を大幅に上回っています。フェルミ研究所の研究者は、その差が「4.2 シグマ」として定量化されるレベルにまで拡大したと推定しており、物理学者が発見を主張するために必要な厳しい 5 シグマ レベルに近づいています。
額面どおりに解釈すると、この不一致は、自然の未知の粒子がミュー粒子に余分な力を与えていることを強く示唆しています。このような発見は、50 年前の素粒子物理学の標準モデル (既知の素粒子と相互作用を記述する一連の方程式) の崩壊をついに予告することになります。
「今日は特別な日であり、私たちだけでなく、国際的な物理学コミュニティ全体が待ち望んでいたものです」と、フェルミラボ ミュオン g-2 実験のリーダーの 1 人であり、イタリア国立核物理学研究所の物理学者である Graziano Venanzoni 氏は語った。
しかし、多くの素粒子物理学者が祝賀している可能性が高く、矛盾を説明できる新しいアイデアを提案するために競争している可能性がありますが、ジャーナル Nature で本日発表された論文 劇的に鈍い光で新しいミュオン測定をキャストします.
Fermilab チームがその新しい測定値を発表したちょうどその時に発表されたこの論文は、測定されたミュオンのぐらつきが、まさに標準モデルが予測するものであることを示唆しています。
この論文では、BMWとして知られる理論家のチームが、ミューオンの磁気モーメントの標準モデル予測に入る最も不確実な項の最先端のスーパーコンピューター計算を提示しています。 BMW は、この期間を、Theory Initiative として知られるグループであるコンソーシアムによって昨年採用された値よりもかなり大きいと計算しています。 BMW のより大きな項は、ミュオンの磁気モーメントの全体的な予測値を大きくし、予測を測定値と一致させます。
新しい計算が正しければ、物理学者は幽霊の追跡に 20 年を費やした可能性があります。しかし、セオリー イニシアチブの予測は、何十年にもわたって磨かれてきた別の計算アプローチに依存しており、おそらく正しいでしょう。その場合、Fermilab の新しい測定は素粒子物理学でここ数年で最も刺激的な結果を構成します。
「これは非常にデリケートで興味深い状況です」と、BMW チームの一員であるペンシルバニア州立大学の理論素粒子物理学者である Zoltan Fodor 氏は述べています。
BMW の計算自体は速報ではありません。この論文は昨年、プレプリントとして初めて登場しました。 Theory Initiative を共同組織したイリノイ大学の素粒子理論家 Aida El-Khadra は、BMW の計算は真剣に受け止めるべきであるが、まだ精査が必要なため、Theory Initiative の全体的な予測には考慮されていないと説明した。他のグループが独自に BMW の計算を検証した場合、Theory Initiative はそれを次の評価に統合します。
ドレスデン工科大学の理論家で、理論イニシアチブに参加し、フェルミラボ ミュオン g-2 チームのメンバーである Dominik Stöckinger は、BMW の結果は「不明確な状況」を生み出すと述べました。物理学者は、彼らがすでに知っている 17 個の標準モデル粒子の効果について同意するまで、エキゾチックな新しい粒子がミューオンを押しているかどうかを言うことができません.
いずれにせよ、楽観視できる理由はたくさんあります。研究者は、BMW が正しいとしても、2 つの計算の間の不可解な隔たり自体が新しい物理学を示している可能性があると強調しています。しかし今のところ、理論と実験の間の過去 20 年間の対立は、さらに予想外の何かに取って代わられているように見えます:理論対理論の戦いです。
巨大ミューオン
物理学者がフェルミラボの新しい測定を待ち望んでいた理由は、ミュオンの磁気モーメント (本質的には固有の磁気の強さ) が宇宙に関する膨大な量の情報をエンコードしているためです。
一世紀前、物理学者は、素粒子の磁気モーメントがより大きな物体と同じ式に従うと仮定していました。代わりに、彼らは電子が予想の 2 倍の磁場で回転することを発見しました。それらの「磁気回転比」または「g ファクター」 (磁気モーメントを他の特性に関連付ける数) は、1 ではなく 2 であると思われました。これは、後に電子が「スピン 1/2」であるという事実によって説明された驚くべき発見です。粒子は、1 回転ではなく 2 回転した後に同じ状態に戻ります。
何年もの間、電子とミュー粒子の g 因子はどちらも正確に 2 であると考えられていました。しかし、1947 年に Polykarp Kusch と Henry Foley は、電子の g 因子を 2.00232 と測定しました。理論物理学者のジュリアン・シュウィンガーは、ほとんどすぐに余分なビットを説明しました。彼は、小さな修正は、電子が空間を移動するときに光子を瞬間的に放出および再吸収する傾向から生じることを示しました.
他の多くの一時的な量子ゆらぎも同様に発生します。電子またはミューオンは、2 つの光子を放出して再吸収する可能性があります。または、標準モデルが許可する無数の他の可能性の中で、一時的に電子と陽電子になる光子です。これらの一時的な現象は、電子またはミュー粒子と一緒に側近のように移動し、それらすべてが磁気特性に寄与します。フェルミラボ ミュオン g-2 実験のもう一人のリーダーであるクリス ポリーは、次のように述べています。 「それらは磁気モーメントを変化させます。」
量子ゆらぎが少ないほど、電子またはミュー粒子の g 因子への寄与は少なくなります。 「小数点以下の桁数をさらに進めていくと、突然クォークが初めて出現し始めた場所がわかります」と Polly 氏は言います。さらに、W ボソンや Z ボソンなどと呼ばれる粒子があります。ミューオンは電子の 207 倍重いため、約 207 (または 43,000) 倍、周囲に重い粒子を呼び起こす可能性が高くなります。したがって、これらの粒子は、ミューオンの g ファクターを電子の g ファクターよりもはるかに大きく変化させます。 「つまり、宇宙の失われた質量を説明できる粒子を探している場合、つまり暗黒物質を探している場合、または超対称性と呼ばれる理論の粒子を探している場合、ミュオンは独特の役割を果たします」とポリーは言いました。
何十年もの間、理論家は、標準モデルからの既知の粒子のますます可能性が低い反復から生じるミューオンの g 因子への寄与を計算するために努力してきましたが、実験者は g 因子をますます正確に測定しました。測定値が予想を上回った場合、これはミューオンの側近に見知らぬものの存在を裏切ることになります:標準モデルを超えた粒子のつかの間の出現.
ミュオンの磁気モーメント測定は 1950 年代にコロンビア大学で始まり、10 年後にヨーロッパの素粒子物理学研究所である CERN で取り上げられました。そこで研究者たちは、今日もフェルミ研究所で使用されている測定技術を開発しました。
高速ミューオンは、磁化されたリングに打ち込まれます。ミュオンが強力な磁場を通り抜けてリングの周りを揺れ動くと、粒子のスピン軸 (小さな矢印として描くことができます) が徐々に回転します。 100 万分の 1 秒後、通常はリングを数百回周回した後、ミューオンは崩壊し、周囲の検出器の 1 つに飛び込む電子を生成します。異なる時間にリングから放出される電子のさまざまなエネルギーは、ミューオン スピンがどれだけ速く回転しているかを明らかにします。
1990 年代、ロング アイランドのブルックヘブン国立研究所のチームは、ミューオンを周囲に飛ばすために幅 50 フィートのリングを構築し、データの収集を開始しました。 2001 年、研究者は最初の結果を発表し、ミューオンの g 係数は 2.0023318404 であり、最後の 2 桁には不確実性がありました。一方、当時の最も包括的な標準モデル予測では、2.0023318319 という大幅に低い値が得られました。
これはすぐに、世界で最も有名な小数点第 8 位の不一致になりました。
「何百もの新聞がそれを取り上げました」と、当時実験を行っていた大学院生だったポリーは言いました。
Brookhaven の測定値は、3 シグマ偏差として知られる推定誤差範囲の 3 倍近く、予測を上回りました。 3 シグマのギャップは重要であり、ランダム ノイズや不運な小さな誤差の蓄積が原因である可能性は低いです。それは、暗黒物質粒子や余分な力を運ぶボソンなど、理論計算に何かが欠けていることを強く示唆していました.
しかし、ありそうもない一連の出来事が起こることがあるため、物理学者は、発見を確定的に主張するために、予測と測定値の間に 5 シグマの偏差が必要です。
ハドロンの問題
Brookhaven の見出し作成の測定から 1 年後、理論家は予測の誤りを発見しました。ミューオンが関与できる数万の量子ゆらぎの 1 つのグループを表す式には、不正なマイナス記号が含まれていました。計算でそれを修正すると、理論と実験の差がわずか 2 シグマにまで減少しました。それは興奮するものではありません。
しかし、ブルックヘブンのチームが 10 倍以上のデータを蓄積したため、ミューオンの g ファクターの測定値は同じままでしたが、測定値の周りのエラーバーは縮小しました。理論との不一致は、2006 年の実験の最終報告までに 3 シグマにまで拡大しました。そして、理論家が g ファクターの標準モデル予測に磨きをかけ続けたため、値が測定値に向かって上方にドリフトするのを見ることなく、それは拡大し続けました。 /P>
新しい粒子の他の検索が失敗したため、ブルックヘブンの異常は物理学者の精神にますます大きくなりました。 2010 年代を通じて、ヨーロッパで 200 億ドル規模の大型ハドロン衝突型加速器が陽子を衝突させ、自然のビルディング ブロックのパターンを完成させる可能性のある数十の新しい粒子を呼び起こすことを期待していました。しかし、コライダーが発見したのはヒッグス粒子だけで、これは標準モデルの最後の欠落部分です。その間、暗黒物質の実験的な検索が多数行われましたが、何も見つかりませんでした。新しい物理学への期待はますますぐらついたミュオンに乗っていました。ラトガース大学の素粒子物理学者であるマシュー・バックリーは、「これが新しい物理学に対する最後の大きな希望かどうかはわかりませんが、大きな希望であることは確かです。
発見の限界を超えるためには、ミュー粒子の磁気回転比を再度、より正確に測定する必要があることは誰もが知っていました。そのため、追跡実験の計画が進行中です。 2013 年、ブルックヘブンで使用された巨大な磁石は、ロング アイランド沖のはしけに積み込まれ、大西洋岸を下ってミシシッピ川とイリノイ川を上ってフェルミ研究所に運ばれました。フェルミ研究所では、研究所の強力なミューオン ビームにより、以前よりもはるかに高速にデータが蓄積されます。これとその他の改良により、フェルミ研究所のチームはミュオンの g 因子を Brookhaven の 4 倍の精度で測定できるようになります。
2016 年、El-Khadra らは、理論イニシアチブの組織化を開始し、フェルミラボのデータが導入される前に、意見の相違を解決し、g ファクターのコンセンサス標準モデル予測に到達しようとしました。最大化するためには、基本的に、理論はその行動をまとめる必要があります」と彼女は当時の理由を説明して言った.理論家たちは、ミュー粒子の g 因子に寄与するさまざまな量子ビットと断片の計算を比較して組み合わせ、昨年の夏に 2.0023318362 という全体的な予測に到達しました。これは、Brookhaven の最終測定値である 2.0023318416 を大幅に 3.7 シグマ下回りました。
しかし、セオリー イニシアチブのレポートは最終的な言葉ではありませんでした。
ミューオンの磁気モーメントについて標準モデルが予測するものについての不確実性は、完全に「ハドロン」、つまりクォークでできた粒子の側近の存在に起因しています。クォークは強い力 (標準モデルの 3 つの力の 1 つ) を感じます。この力は非常に強く、まるでクォークが接着剤の中で泳いでいるかのようであり、その接着剤は他の粒子と際限なく密集しています。強い力 (そして最終的にはハドロンの挙動) を表す方程式は、正確に解くことはできません。
そのため、ハドロンがミューオンの真ん中に出現する頻度を測定することは困難です。主なシナリオは次のとおりです。ミュー粒子は、移動中に瞬間的に光子を放出し、ハドロンと反ハドロンに変化します。ハドロンと反ハドロンのペアはすぐに消滅して光子になり、ミューオンが再吸収します。ハドロン真空分極と呼ばれるこのプロセスは、ミューオンの磁気回転比の小数第 7 位からの小さな補正に寄与します。この補正を計算するには、発生する可能性のあるハドロンと反ハドロンのペアごとに複雑な数学的和を解く必要があります。
このハドロン真空分極項に関する不確実性は、g ファクターに関する全体的な不確実性の主な原因です。この項を少し増やすだけで、理論と実験の違いを完全になくすことができます。物理学者はそれを計算する 2 つの方法を持っています。
最初の方法では、研究者はハドロンの挙動を計算しようとさえしません。代わりに、他の粒子衝突実験からのデータをハドロン真空分極項の期待値に変換するだけです。 「データ駆動型のアプローチは、数十年にわたって洗練され、最適化されてきました。そして、アプローチにさまざまな詳細を使用するいくつかの競合グループがお互いを確認しました」と Stöckinger 氏は述べています。 Theory Initiative は、このデータ駆動型のアプローチを使用しました。
しかし、近年、純粋な計算方法が着実に改善されています。このアプローチでは、研究者はスーパーコンピューターを使用して、空間のあらゆる場所ではなく格子上の離散点で強い力の方程式を解き、無限に詳細な問題を有限の問題に変えます。クォーク泥沼を粗視化してハドロンの挙動を予測するこの方法は、「天気予報や気象学に似ています」と Fodor 氏は説明します。計算は、格子点を非常に近くに配置することで超精密にすることができますが、これはコンピューターを限界まで押し上げることにもなります。
ブダペスト、マルセイユ、ヴッパータール (ほとんどのチーム メンバーが最初に本拠を置いていたヨーロッパの 3 つの都市) にちなんで名付けられた 14 人の BMW チームは、このアプローチを使用しました。彼らは 4 つの主要な革新を行いました。まず、ランダムノイズを減らしました。彼らはまた、格子のスケールを非常に正確に決定する方法を考案しました。同時に、以前の取り組みと比較して格子のサイズを 2 倍以上に拡大したため、エッジ効果を心配することなく、格子の中心付近でのハドロンの挙動を研究できました。最後に、クォークの種類間の質量差など、しばしば無視される複雑な詳細のファミリーを計算に含めました。 「4 つの [変更] のすべてで、多くのコンピューティング パワーが必要でした」と Fodor 氏は言います。
研究者たちはその後、ユーリッヒ、ミュンヘン、シュトゥットガルト、オルセー、ローマ、ヴッパータール、ブダペストにあるスーパーコンピューターを徴用し、新しいより優れた計算に取り組みました。数億コア時間のクランチの後、スーパーコンピューターはハドロン真空分極項の値を吐き出しました。それらの合計は、ミュー粒子の g 因子への他のすべての量子寄与と組み合わせると、2.00233183908 になりました。これはブルックヘブンの実験と「かなりよく一致している」と Fodor 氏は述べた。 「非常に驚いたので、何百万回もクロスチェックしました。」 2020 年 2 月に、arxiv.org プレプリント サーバーに作品を投稿しました。
Theory Initiative は、いくつかの理由から、BMW の価値を公式の見積もりに含めないことを決定しました。データ駆動型アプローチの誤差範囲はわずかに小さく、3 つの異なる研究グループが独立して同じことを計算しました。対照的に、BMW の格子計算は昨年の夏の時点で公開されていませんでした。また、結果は以前の精度の低い格子計算とよく一致していますが、別のグループによって同じ精度で個別に再現されたわけではありません.
Theory Initiative の決定は、ミュオンの磁気モーメントの公式の理論値が Brookhaven の実験測定値と 3.7 シグマの差があることを意味していました。これは、2012 年のヒッグス粒子以来、素粒子物理学で最も期待されていることの解明の舞台を整えました。
啓示
1 か月前、Fermilab Muon g-2 チームは、今日最初の結果を発表すると発表しました。素粒子物理学者は恍惚とした。チューリッヒ大学の物理学者であるラウラ・ボーディスは、20 年間結果を予想した後、「4 月 7 日までの日数を数えている」と語った。 「ブルックヘブンの結果がフェルミ研究所での新しい実験によって確認されれば、これは大きな成果になるでしょう」と彼女は言いました。
そうでない場合、つまり異常が消滅した場合、素粒子物理学コミュニティの一部は、「素粒子物理学の終焉」を恐れていた、と Stöckinger 氏は述べています。フェルミラボ g-2 実験は、「標準モデルを超えた物理学の存在を実際に証明する実験の最後の希望です」と彼は言いました。それができなければ、「標準模型を超えた物理を研究するのではなく、もうあきらめて別のことをしなければならない」と感じる研究者も多いのではないでしょうか。彼は、「正直に言えば、それは私自身の反応かもしれません」と付け加えました。
200 人の Fermilab チームは、わずか 6 週間前に、Zoom を介した除幕式で結果を明らかにしました。チームの科学者であるタミー・ウォルトンは、現在4回目の実行中の実験で夜勤をした後、急いで家に帰ってショーをキャッチしました. （新しい分析は、最初の実行からのデータをカバーしており、実験が最終的に発生するものの6％を占めています。）セオリー・イニシアチブの予測とブルックヘブンの測定値とともにプロットされた非常に重要な数値が画面に表示されたとき、ウォルトンはそれが前者よりも高く着陸し、後者の上にかなり軽くたたくのを見ることに興奮しています. 「人々は非常に興奮するでしょう」と彼女は言いました.
新しい物理学のさまざまなアイデアを提案する論文が、今後数日のうちにアーカイブに殺到することが予想されます。しかし、それ以上の未来は不透明です。かつては理論と実験の間の明確な違反であったものは、はるかに霧のかかった計算の衝突によって曇っています.
スーパーコンピューターの計算が間違っていることが判明する可能性があります。つまり、BMW はエラーの原因を見落としていたのです。 「計算を詳しく調べる必要がある」とエル・カドラ氏は述べ、確固たる結論を出すのは時期尚早だと強調した. 「その精度を得るためにメソッドを推し進めています。彼らがメソッドを推し進めた方法がそれらを壊したかどうかを理解する必要があります。」
これは、新しい物理学のファンにとって朗報です。
興味深いことに、たとえデータ駆動型の方法が内部で未確認の問題を抱えたアプローチであったとしても、理論家は原因不明の新しい物理学以外の問題が何であるかを理解するのに苦労しています. Theory Initiative の主要メンバーであるベルン大学の Martin Hoferichter 氏は、次のように述べています。
過去 1 年間、データ駆動型の方法で起こりうる問題を調査してきた研究者は、データ自体が間違っている可能性は低いと述べています。これは、数十年にわたる 35 のハドロン過程の超精密測定から得られたものです。しかし、「データまたはその解釈方法が誤解を招く可能性があります」と、この可能性を研究している論文の共著者である CERN およびその他の機関の Andreas Crivellin 氏は述べています。
ミュオン付近のハドロン真空分極に影響を与えることなく、特定の電子-陽電子衝突で発生するハドロン過程の可能性を破壊的な干渉がたまたま低下させる可能性がある、と彼は説明した。その場合、一方から他方へのデータ主導の外挿はうまく機能しません。ただし、その場合、同じハドロン過程に敏感な別の標準モデルの計算が中断され、理論とデータの間に異なる緊張が生じます。そして、この緊張自体が新しい物理学を示唆するでしょう.
El-Khadra が言うように、新しい物理学を「他の場所では観測されていないほどとらえどころのない」状態に保ちながら、この別の緊張を解決するのは難しいことですが、たとえばベクトル状レプトンと呼ばれる仮説上の粒子の効果を導入することによって可能です。
したがって、ミュオンの周りに渦巻く謎は、結局、標準モデルを超えて宇宙のより完全な説明につながる可能性があります.いずれにせよ、今日のニュースは、フェルミ研究所の結果と Nature での BMW の計算の発表の両方であると言っても過言ではありません。 — 素粒子物理学の終わりではありません.
