物理学者は、W ボソンと呼ばれる素粒子が 0.1% 重すぎるように見えることを発見しました。これは、基礎物理学の大きな変化の前兆となる小さな矛盾です。
今日、Science 誌に報告された測定結果 、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の古い粒子コライダーから来ており、10年前に最後の陽子を粉砕しました. Collider Detector at Fermilab (CDF) コラボレーションの約 400 人のメンバーは、Tevatron と呼ばれるコライダーによって生成された W ボソンを分析し続け、無数のエラーの原因を追跡して比類のないレベルの精度に到達しました。
標準的な理論的予測と比較した W の過剰な重さを個別に確認できる場合、その発見は未発見の粒子または力の存在を意味し、半世紀で初めて量子物理学の法則を大幅に書き換えることになります。
「これは、世界の見方を完全に変えることになるでしょう」と、2012 年のヒッグス粒子の発見に匹敵する可能性さえあると、マドリッドの理論物理学研究所の物理学者で、CDF のメンバーではない Sven Heinemeyer は述べています。 「ヒッグスは、これまで知られているイメージにうまく適合します。これは、まったく新しい分野に参入することになるでしょう。」
この発見は、物理学コミュニティが素粒子物理学の標準モデルの欠陥に飢えているときにもたらされました。標準モデルは、既知のすべての粒子と力を捉えた方程式のセットです。標準模型は不完全であることが知られており、暗黒物質の性質など、さまざまな大きな謎が未解決のままです。 CDF コラボレーションの強力な実績により、新しい結果は標準モデルに対する信頼できる脅威になります。
イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の理論物理学者である Aida El-Khadra は、次のように述べています。 「彼らは用心深いことで知られています。」
しかし、まだ誰もシャンパンを割っていません。新しい W 質量測定は、単独で行われると、標準モデルの予測から完全に逸脱しますが、W を計量する他の実験では、それほど劇的ではありません (精度は低くなりますが)。たとえば、2017 年にヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器で行われた ATLAS 実験では、W 粒子の質量が測定され、標準モデルよりも髪の毛 1 本分だけ重いことがわかりました。 CDF と ATLAS の衝突は、一方または両方のグループが実験の微妙な癖を見落としていることを示唆しています。
大型ハドロン衝突型加速器を収容する研究所であり、ATLAS 実験のメンバーである CERN の物理学者である Guillaume Unal は、次のように述べています。 「W ボソンは大西洋の両側で同じでなければなりません。」
マサチューセッツ工科大学のノーベル賞を受賞した物理学者であるフランク ウィルチェクは、「これは記念碑的な仕事ですが、それをどうするかを知るのは非常に困難です」と述べています。
弱いボソン
W ボソンは、Z ボソンと共に、宇宙の 4 つの基本的な力の 1 つである弱い力を媒介します。重力、電磁気、および強い力とは異なり、弱い力は重い粒子を軽い粒子に変換するため、押したり引いたりすることはありません。たとえば、ミュー粒子は W ボソンとニュートリノに自然崩壊し、W は電子と別のニュートリノになります。関連する亜原子の形状変化は放射能を引き起こし、太陽を輝かせ続けるのに役立ちます.
さまざまな実験により、過去 40 年間に W ボソンと Z ボソンの質量が測定されてきました。 W ボソンの質量は、特に魅力的なターゲットであることが証明されています。他の粒子質量は単純に測定され、自然の事実として受け入れられる必要がありますが、W 質量は、標準モデル方程式で測定可能な他のいくつかの量子特性を組み合わせることで予測できます。
何十年もの間、フェルミ研究所などの実験者は、W ボソンを取り囲む網状のつながりを利用して、追加の粒子を検出しようとしてきました。研究者が W 粒子の質量に最も大きな影響を与える項 (電磁力の強さや Z の質量などの数値) を正確に測定すると、その質量を引っ張る小さな効果を感知し始めることができます。
このアプローチにより、物理学者は、1995 年にトップ クォークが発見される直前の 1990 年代に、W の質量を微調整するトップ クォークと呼ばれる粒子の質量を予測することができました。検出前のヒッグス粒子。
トップクォークとヒッグス粒子が存在し、標準模型の方程式を通じてWボソンに接続されていると理論家が予想する理由はさまざまだったが、今日の理論には明らかに欠落している部分はない。 W ボソンの質量に不一致が残っている場合は、不明な点が示されます。
W をキャッチ
CDF の新しい質量測定は、2002 年から 2011 年の間にテバトロンで生成された約 400 万個の W ボソンの分析に基づいています。その後、W はニュートリノと、ミューオンまたは電子のいずれかに崩壊する可能性があり、どちらも簡単に検出できます。ミューオンまたは電子が高速であるほど、それを生成した W ボソンは重くなります。
デューク大学の物理学者であり、CDF コラボレーションの最近の分析の原動力である Ashutosh Kotwal は、そのキャリアをそのスキームの改良に捧げてきました。 W ボソン実験の心臓部は、30,000 本の高電圧ワイヤが詰め込まれた円筒形のチャンバーで、ミューオンまたは電子が通過すると反応し、CDF の研究者が粒子の経路と速度を推測できるようにします。各ワイヤの正確な位置を知ることは、正確な軌道を得るために重要です。新しい分析のために、Kotwal と彼の同僚は、宇宙線として空から降り注ぐミューオンを利用しました。これらの弾丸のような粒子は、検出器をほぼ完全な直線で絶えず引き裂き、研究者は不安定なワイヤを検出し、ワイヤの位置を 1 マイクロメートル以内に突き止めることができます。
また、データをリリースするまでに何年もかけて徹底的なクロスチェックを行い、独立した方法で測定を繰り返して、テバトロンのすべての特異性を理解しているという確信を築きました。その間ずっと、W ボソンの測定値はますます速く蓄積されました。 2012 年にリリースされた CDF の最新の分析では、テバトロンの最初の 5 年間のデータがカバーされていました。次の 4 年間で、データは 4 倍になりました。
「それは消防ホースのように、あなたが飲むよりも速く私たちにやって来ました」とコトワルは言いました.
その最後の分析からほぼ10年後、コラボレーションがついに放送されました. 2020 年 11 月の Zoom での会議で、Kotwal はボタンを押すだけでチームの結果を解読しました (数値が分析に影響を与えないように、暗号化されたデータを使用していました)。
物理学者が答えを吸収したとき、沈黙が落ちました。彼らは、W ボソンの重さが 80,433 百万電子ボルト (MeV) であり、9 MeV の増減があることを発見しました。これは、標準モデルが予測するよりもなんと 76 MeV も重く、測定または予測の誤差範囲の約 7 倍の食い違いです。
このような「7 シグマ」の不一致は、決定的な発見を主張するために物理学者が通常クリアしなければならない 5 シグマのレベルを超えています。しかし、この場合、ATLAS や他の実験からのより低い測定値が彼らを一時停止させます。
「これは発見ではなく、挑発だと思います」とフェルミ研究所の理論物理学者クリス・クイッグは述べたが、彼はこの研究には関与していない。 「これで、この異常値を受け入れる理由ができました。」
クラッシュ オブ エクスペリメント
テバトロンが粉塵を集めると、CDF 測定値を確認または反証する責任は、大型ハドロン衝突型加速器に委ねられます。すでにテバトロンよりも多くの W ボソンを生成していますが、衝突率が高いため、W の質量の分析が複雑になっています。それにもかかわらず、追加のデータを収集することにより (潜在的にはより低いビーム強度で)、LHC は今後数年間で緊張を解決することができます。
その間、理論家たちは特大の W ボソンが何を意味するのかを熟考せずにはいられません。
ミューオンが崩壊して電子になるときに一時的に W ボソンを放出すると、その中間の W ボソンは未発見の粒子であっても、他の粒子と相互作用することができます。 W の質量をゆがめる可能性があるのは、この未知のものとの友愛です。
重い W ボソンは、私たちが知っているヒッグス ボソンよりもスタンドオフな 2 番目のヒッグス ボソンによるものである可能性があります。あるいは、弱い力の変形を仲介する新しい大質量ボソン、または複数の粒子でできた「複合」ヒッグスが、それらを結合する新しい力で完成したためである可能性があります.
一部の理論家は、超対称性として知られる長年研究されてきた理論によって予測された粒子を疑っています。このフレームワークは、物質粒子と力を運ぶ粒子を結び付け、既知の粒子のそれぞれに対して反対のタイプの未発見のパートナーを仮定します。 「スーパーパートナー」が LHC で実現できなかったため、超対称性は流行しなくなりましたが、一部の理論家はいまだにそれが真実であると信じています。
Heinemeyer と共同研究者は最近、特定の超対称粒子が、ミューオン g-2 異常として知られる標準モデルとの別の推定上の不一致を解決できると計算しました。そうすることで、粒子は W ボソンの質量も少し押し上げますが、CDF 測定値と一致させるには、さらに多くの新しい粒子が必要になります。 「g-2 に役立つ粒子が、W ボソン質量にも役立つ可能性があるというのは興味深いことです」と彼は言いました。
正確な測定値を磨くための実験家の骨の折れる作業により、研究者は、待望のブレークスルーが来るという楽観的な見方をしています。
「全体として、何かが壊れるポイントに近づいているように感じます」とエル・カドラは言いました。 「私たちは、標準モデルの先を見据えようとしています。」
