1986 年、テレビ ジャーナリストのダン ラザーがニューヨーク市で襲撃されました。気が狂った加害者は、「ケネス、周波数は？」と不可解に要求しながら、彼を殴りました。クエリはポップ カルチャーのミームになり、ロック バンド R.E.M.ヒット曲にも基づいています。今では、素粒子物理学で今年最も期待されている結果を達成しようとしているチームのモットーになる可能性があります.
早くも 3 月に、フェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) でのミュオン g-2 実験は、電子のいとこである、より重く寿命の短いミュオンの磁性の新しい測定結果を報告する予定です。この努力には、単一の周波数を非常に正確に測定することが必要です。 2001 年にさかのぼる興味をそそる結果の中で、g-2 は、ミュオンが理論の予測よりもわずかに強い磁気を持っていることを発見しました。イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の理論家 Aida El-Khadra は、この超過が確認されれば、この数十年で初めて、原子粉砕機が生成できる可能性のある新しい巨大粒子の存在を示すことになるだろうと述べています。 「これは新しい物理学の非常に明確な兆候であるため、大きな取引になるでしょう。」
G-2 実験者が虚偽の発見であると主張しないようにするための対策は、鍵のかかったキャビネット、封印された封筒、2 人だけが知る第 2 の秘密の周波数など、スパイ小説のようなものです。 G-2チーム。 「私の妻は、このような責任ある仕事に私を選んでくれません。なぜ重要な実験がそうなったのかわかりません」と、フェルミ研究所の最高研究責任者であり、秘密保持者の 1 人であるジョセフ リッケンは言います。
電子と同じように、ミュオンはこまのように回転し、そのスピンによって磁気が吹き込まれます。量子論はまた、ミューオンが粒子と反粒子に包まれていることを要求し、真空を飛び出しては直接観測するには速すぎる。これらの「仮想粒子」は、ミュー粒子の磁気を約 0.001% 増加させます。これは g-2 として表される過剰です。理論家は、彼らの支配的な理論で粒子だけで真空が泡立つと仮定して、過剰を非常に正確に予測することができます。しかし、真空が大量の新しい粒子を隠している場合、これらの予測は測定値と一致しません。 (電子は同様の効果を示しますが、質量がはるかに小さいため、ミューオンよりも新しい粒子に対する感度が低くなります。)
明確な磁気を測定するために、g-2 の研究者はミュー粒子 (または、より正確には反物質の対応物) のビームを幅 15 メートルの円形粒子加速器に発射します。何千ものミュオンが、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、回転軸を進行方向に向けてリングに入ります。垂直磁場は、リングの周りの軌道を曲げ、また、ぐらつくジャイロスコープのように、スピン軸を渦巻き、または歳差運動させます。
仮想粒子からの余分な磁気がなければ、ミュオンはリングを周回するのと同じ速度で歳差運動を行い、常に進行方向に回転します。しかし、追加の磁気により、ミューオンは公転よりも速く歳差運動を行い、29 回の軌道ごとに約 30 回かかります。この効果により、原則として、超過分を簡単に測定できます。
過度の磁気
軌道を周回するとき、各ミューオンは崩壊して陽電子を生成し、リングの内側にある検出器の 1 つに飛び込みます。陽電子は、ミューオンが循環している方向に回転しているときにエネルギーが高くなり、逆方向に回転しているときにエネルギーが低くなります。そのため、ミューオンがぐるぐる回ると、高エネルギーの陽電子の流れが周波数で振動し、仮想粒子がどれだけの余分な磁気を生み出すかが明らかになります.
フェルミ研究所の物理学者であり、200 人のメンバーからなる g-2 チームの共同スポークスパーソンである Chris Polly は、新しい粒子を探すのに十分な精度でその周波数を測定するために、物理学者は実験のあらゆる側面を厳密に制御する必要があると述べています。たとえば、リングの磁場を 100 万分の 25 に均一にするために、研究者は電磁石の極を 1 枚の紙よりも薄い 9000 以上の鋼片で装飾したと、g-2 に取り組んできたポリーは言います。 1989 年にニューヨーク州アプトンのブルックヘブン国立研究所で実験が開始されて以来、.各シートは、現場でわずかな調整を行う磁気「シム」として機能します。
ブルックヘブンでの実験では、1997 年から 2001 年までのデータが収集されました。最終的に、研究者はミューオンの磁気を 0.6 pps の精度で測定し、当時の理論値よりも約 2.4 ppb 大きい値に到達しました。 2013 年、彼らは 700 トンのリングをはしけで 5,000 キロ離れたイリノイ州バタビアのフェルミ研究所まで運びました。改良された g-2 は、より純粋で強力なミューオン ビームを使用して、最終的に実験の不確実性を現在の値の 4 分の 1 に減らすことを目指しています。この春に発表される結果は、その目標に到達しないだろう、とボストン大学の g-2 物理学者であるリー・ロバーツは言う。しかし、ブルックヘブンの結果と一致すれば、真空中に潜んでいる新しい粒子の証拠が強化されます.
ただし、g-2 の研究者は、実験のさまざまな側面で必要となる 100 を超える小さな修正を行う際に、自分をだまさないように注意する必要があります。無意識のうちに周波数を希望する値に向けないようにするため、実験者は分析が完了するまで真の周波数を認識しません。
ブラインドには複数のレイヤーがありますが、最後が最も重要です。陽電子の流れが振動する真の周波数を隠すために、実験は実際のナノ秒ではなく、無作為に選択された未知の周波数で時を刻む時計で実行されます。毎月の実行の開始時に、Lykken と Fermilab の Greg Bock は 8 桁の値を周波数発生器に打ち込みます。測定の最後のステップは、クロックの読み取り値をリアルタイムに変換するための鍵となる、未知の周波数を含む封印されたエンベロープを開くことです。 「アカデミー賞のようなものです」とリッケンは言います。
測定結果と理論家の予測とのギャップから、新しい物理学のヒントが生まれます。その予測には独自の不確実性がありますが、過去 15 年間で計算はより正確で一貫したものになり、理論と実験の間の不一致は今まで以上に大きくなっています。ミュオンの磁性に関する理論家のコンセンサス値とブルックヘブンの値とのギャップは現在、全不確実性の 3.7 倍であり、発見を主張するのに必要な 5 倍からそれほど遠くない.
とはいえ、20 年前に比べると、この矛盾はそれほど刺激的ではないかもしれない、とブルックヘブンの理論家であるウィリアム・マルシアーノは言う。当時、多くの物理学者は、これが超対称性、つまり各標準モデル粒子のより重いパートナーを予測する理論のヒントである可能性があると考えていました。しかし、そのようなパートナーが真空に潜んでいるとしたら、世界最大の原子粉砕機であるヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器がおそらく今頃までにそれらを吹き飛ばしていたでしょう、とマルシアーノは言います。 「[ミュー粒子の磁性] を超対称性で説明することは不可能ではありません」とマルシアーノは言います。
それでも、物理学者は新しい測定結果を待ち望んでいます。なぜなら、この食い違いが本当なら 何か 新しいことが原因である必要があります。チームは、いつデータの盲検化を解除するかをまだ決定していると、当初から g-2 に取り組んできた Roberts は言います。 「ブルックヘブンで、私はいつも椅子の端に座っていました [盲検解除中]。私もここにいると思います。」
