電子が他の物質とどのように相互作用するかは、右利きのクォーターバックが投げるフットボールのように右に回転するか、左利きが投げる豚の皮のように左に回転するかによって異なります。現在、物理学者は、クォーク (原子核内で陽子と中性子を形成するためにトリオで結合する粒子) が同じ非対称性を示すことを確認しています。
この結果は、物理学に新しい粒子と力の壮大な探求における新しい武器を与える可能性があります。現在、科学者たちは、世界最大の原子粉砕機であるスイスの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) で行っているように、大量の新しい粒子を吹き飛ばして存在させることを試みることができます。あるいは、慣れ親しんだ粒子を詳細に研究することで、実証済みの標準モデルを超えて、風変わりな新しいものの微妙なヒントを探すことができます。後者のアプローチでは、新しい実験は物理学者に特定の種類の新しい力を調べる方法を与える、とドイツのヨハネス グーテンベルク大学マインツおよび GSI ヘルムホルツ重イオン研究センターの核物理学者であるフランク マースは言う。 「特定のタイプのモデルについては、このタイプの実験は LHC での実験よりもはるかに感度が高いです」と Maas 氏は言います。
物質は、光と化学結合を生成する電磁力、クォークと原子核を結合する強力な核力、ベータ崩壊と呼ばれる一種の放射性崩壊を生成する弱い核力、および重力の 4 つの力によって相互作用します。 (他にも存在する可能性があります。一部の理論家は、弱い力の 2 番目のバージョンも存在する可能性があると推測しています。) かつて、物理学者は、すべての力が少数の対称性に従うと仮定していました。したがって、たとえば、物理システムはそのミラー イメージとまったく同じように動作する必要があります。これは、パリティとして知られる対称性です。
しかし、1957 年に、物理学者は、弱い力によって媒介される粒子相互作用ではパリティが成立しないことを発見しました。たとえば、原子核に右回転の電子を向けて、それらが跳ね返るのを見るとします。小さなシューティング ギャラリーを鏡で見ると、左回転の電子がターゲットから跳ね返っているのがわかります。したがって、電子と原子核の間の相互作用が鏡面対称であれば、右回転電子と左回転電子の散乱は同じになるはずです。実際、負の電荷を帯びた電子が正の電荷を帯びた原子核と電磁力だけで相互作用した場合、まさにそれが起こります。
しかし、電子は弱い力を介して原子核とも相互作用します。これは、パリティに違反し、ミラー対称ではありません。その結果、右回転の電子と左回転の電子は異なる方法でターゲットから跳ね返り、散乱パターンにわずかな非対称性が生じます。その効果は、1978 年にカリフォルニア州メンロー パークにある SLAC 国立加速器研究所で、当時の物理学者の新しい標準モデルを固めるのに役立った E122 と呼ばれる実験で見られました。 2 番目の弱い力が存在する場合、同様に偏った結果をもたらすはずです。
しかし、クォークはどうですか？電子と同じように、陽子や中性子の中で飛び回る際に、どちらかの方向にスピンすることができます。また、標準モデルによると、右回転と左回転のクォークは、入ってくる電子とわずかに異なる相互作用をし、入ってくる電子のスピンが反転すると、追加の非対称性またはパリティ違反が生じるはずです。現在、シャーロッツビルにあるバージニア大学の核物理学者である Xiaochao Zheng とその同僚は、今日の Nature で報告されているように、その小さな寄与を観察しています。 .
それは並外れた偉業でした。追加の非対称性を確認するには、E122 では行われたがその後の実験では行われなかったように、入ってくる電子が単一のクォークを吹き飛ばし、粒子のシャワーを発生させるのに十分なほど強く原子核に衝突する必要があります。研究者は、右回転電子と左回転電子の同じ強度のビームをターゲットに交互に照射するように細心の注意を払う必要があります。バージニア州ニューポート ニューズにあるトーマス ジェファーソン国立加速器施設の電子加速器を使用して、研究者は 2009 年に 2 か月にわたって液体重水素のターゲットに 1,700 億個の電子を照射しました。大きな不確実性はあるものの、クォークからの寄与を引き出すのに十分なほど正確に非対称性を散乱させます。結果は標準モデルの予測と一致します。
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の理論家であるウィリアム・マルシアーノは、「彼らは、これまで測定されなかったクォークレベルで何か基本的なものを測定しました」と述べています。ただし、Maas 氏は、結果はそれほどエキサイティングではないと述べています。 「彼らは、彼らの精度のレベルで新しい物理学を観察していません」と彼は言います。新しい結果は、第 2 の弱い力が存在すると仮定するモデルに、より厳しい制限を課すものである、と Maas は言います。
測定は道の終わりではありません。実験チームの 101 人のメンバーは、測定を繰り返すつもりであり、精度を少なくとも 5 倍向上させることを望んでいる、と Zheng は言います。これにより、はるかに感度の高い新しい力をテストできるようになるはずだと彼女は言います.マルシアーノ氏も、「これは最初の一歩にすぎない」と同意しています。彼は、標準モデルではクォークからの非対称性が非常に小さいことが有益である可能性があると述べています。これにより、偏差が比較的大きく見えるからです。
