基本的な粒子と力の物理学者の理解における潜在的な欠陥は、今ではより現実的に見えます。 200人以上の物理学者からなるチームが今週、ミュオンと呼ばれる一時的な亜原子粒子が、理論が予測するよりもわずかに強い磁気を帯びている可能性があることを、新しい測定値が確認しました。この小さな異常値 (10 億分の 2.5 パーツ) は、素粒子物理学者の有力な理論である標準モデルに対する歓迎すべき脅威です。 .
ウェイン州立大学の理論家であるアレクセイ・ペトロフは、「1970 年代以来、私たちは標準モデルの亀裂を探してきました。 「これかもしれません。」しかし、ブルックヘブン国立研究所の理論家であるサリー・ドーソンは、この結果はまだ決定的なものではないと述べています。 「それが本当かどうかを確認するにはもう少し待たなければならないと言う以外に、私たちの物理学の理解には何の役にも立ちません。」
何十年もの間、物理学者は、小さな棒磁石のように振る舞う、電子のより重くて不安定ないとこであるミューオンの磁性を測定してきました。彼らはミューオンを垂直磁場に置き、小さなコンパスの針のように水平方向に回転させます。ミュー粒子が回転する周波数は、それらがどれほど磁気的であるかを明らかにします。これは、原理的には、ヨーロッパのラージ ハドロン コライダーのような原子粉砕機で爆破するには大きすぎる粒子でさえも、新しい粒子を指し示すことができます。
これは、量子の不確実性のおかげで、ミュー粒子が他の粒子や反粒子が存在したり消えたりするかすみの中に座っているためです。これらの「仮想」粒子は直接観察することはできませんが、ミューオンの特性に影響を与える可能性があります。量子力学とアルバート アインシュタインの特殊相対性理論は、ミューオンが特定の基本的な磁性を持っているはずだと予測しています。ミューオンの周りを飛び回るおなじみの標準モデルの粒子は、その磁気を約 0.1% 増加させます。そして、真空に潜む未知の粒子が、予測不可能な変化の増分をさらに追加する可能性があります。
2001 年、当時ブルックヘブンでミューオン g-2 実験を行っていた研究者は、ミューオンが標準モデルが予測するよりもわずかに強い磁性を持っていることを報告しました。この不一致は、理論的不確実性と実験的不確実性を合わせたものの約 2.5 倍に過ぎませんでした。これは、発見を主張する物理学者の基準にはほど遠いものであり、全不確実性の 5 倍です。しかし、それは彼らの手の届かないところにある新しい粒子の興味をそそるヒントでした.
永続的な異常
そこで 2013 年、研究者たちはこの実験をイリノイ州のフェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) に持ち込み、より純粋なミュー粒子ビームを得ることができました。改良された実験が 2018 年にデータの取得を開始するまでに、ミューオンの磁気に関する標準モデルの予測は改善され、実験結果と理論との差は合計不確実性の 3.7 倍にまで上昇しました。
現在、g-2 チームは、1 年分のデータを使用して、改良された実験の最初の結果をリリースしました。そして、新しい結果は以前の結果とほぼ正確に一致していると、チームは本日、フェルミラボでのシンポジウムで発表しました。フェルミ研究所の物理学者であり、g-2 チームの共同スポークスマンである Chris Polly は、この一致は、古い結果が統計的なまぐれでも、実験で検出されなかった欠陥の産物でもないことを示しています。 「私はブルックヘブン実験の大学院生だったので、それは確かに私にとって圧倒的な安堵感でした」と彼は言います.
新しい結果と古い結果を合わせると、標準モデルの予測との不一致は、実験誤差と理論誤差の 4.2 倍に拡大します。それはまだ明確な発見を主張するのに十分ではありません.しかし、新しい物理学の同様のヒントが現れたり消えたりする分野では、ミュオンの磁性はほとんど特異なパズルのままである、とオレゴン大学の理論家、Graham Kribs は言う。 「コミュニティ全体が『覚えておいてください、私たちもこれに対処しなければならない』というような、本当に際立っているものは他にありません。」
g-2 チーム全体が、2 月 25 日に実験者が新しい結果を初めて明らかにしたときの真実の瞬間を共有しました。この実験では、ミューオンが回転する速度を絶妙な精度で測定する必要があります。そして、無意識のうちに測定値を好みの値に調整しないようにするために、実験者は、共同研究者以外の 2 人だけが知っている秘密の周波数で時を刻む時計に頼りました。 COVID-19 の制限により、Zoom ミーティングで秘密の周波数が入った封筒を開封したのは、分析の最後の最後でした。ワシントン大学シアトル校の大学院生でチーム メンバーのハンナ ビニーは、「確かに極度の緊張の雰囲気がありました。数秒以内に、研究者は秘密の周波数を使用して、新しい結果が古い結果と一致することを突き止めました.
ペトロフ氏によると、新しい結果に対する即時の反応は 2 重になる可能性が高いとのことです。まず、実験値が確認されたので、物理学者は理論上の推定値に新たに疑問を呈する可能性が高い. 2017 年から、130 人以上の理論家が一連のワークショップに集まり、2020 年 11 月に公開された標準モデル予測のコンセンサス値を打ち出しました。 —コライダーの結果からの外挿を含め—真空の内外を飛び交うさまざまなタイプの標準モデル粒子を考慮します。理論家たちは、コンセンサス値を検証し、第一原理からそれを計算できるようにする計算方法を開発するための努力を倍増させるだろう、とペトロフは言う.
そしてもちろん、標準モデルを超えてミューオンの余分な磁性を説明する新しい理論を構築し始める人もいるでしょう。 「これは理論家にとって実地訓練になるだろう」とペトロフは予測する。 g-2 実験者はまだデータを取得しており、数年以内に実験の不確実性を 75% 削減することを望んでいるため、彼らの考えは少し時期尚早かもしれません。したがって、不一致はまだ消える可能性があります。しかし、ミュオンが何か新しいものの存在を本当に示している可能性がある場合、多くの理論家は熱心に始めようとしています。
