ドイツのマックス プランク量子光学研究所で行われた最近の実験で、物理学者のアレクセイ グリニンと彼の同僚は、過去 10 年間に素粒子物理学で生じた、より重要なパズルの 1 つを解決することに一歩近づきました。パズルはこうです:通常、何かのサイズを測定しようとするとき、測定に何を使用しても同じ答えが得られることを期待するでしょう。メジャーまたはノギス (もちろん、これらが適切に校正されている場合)。を測定しようとすると、機器によって異なる答えが返される可能性がある場合、何かが間違っているに違いありませんが、これはまさに、陽子の空間範囲を測定するための複数の試みで起こったことです.危険にさらされている可能性があるのは、現実の構成要素に関する私たちの理解です。異なる測定値は、新しい力または粒子の存在を予告している可能性があります。
亜原子粒子が測定可能な「サイズ」を持つとはどういう意味ですか?数学的には、基本粒子は点粒子として理想化されています。つまり、私たちが知る限り、それらには意味のある識別可能な空間範囲または部分構造がまったくないということです。確かに、すべての基本粒子は、粒子のエネルギーに依存する空間範囲を持つ量子力学的波束に関連付けられています。それでも、レゴのこれらの基本的なビットは、プランクスケールで連続体幾何学の概念が始まり、意味を失う前に、原則として、波のパケットを好きなだけ小さな領域に詰め込むことができるエンティティです.基本粒子は、光子やグルオン (強力な核力のキャリア粒子) などのさまざまな力を運ぶ粒子と、3 世代のクォークとレプトン、および質量を生成するヒッグスで構成されるミニ周期表に類似したものに編成されます。ボソン—そして、さまざまな組み合わせで積み重なって、いわゆる複合粒子の動物園を形成できます。
おそらく、これらの中で最も身近でどこにでもあるのは陽子です。あらゆる種類の元素に少なくとも 1 つずつ含まれており、2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークで構成されており、グルーオンの交換によって維持される緊密に結合された軌道で互いに踊ります。この交換プロセスは非常にエネルギーが高いため、陽子の質量のほとんど (または、さらに言えば、私たちを構成する物質のほとんど) は、これらのグルオンに含まれるエネルギーに由来します。え mc に等しい .
ですから、陽子の「大きさ」を問うのは無意味ではありません。 Grinin のチームによる研究は、この概念を定義することは依然としてかなりトリッキーな問題であるという事実を浮き彫りにしています。そして、後で見るように、彼らの結果は、研究者が以前に使用した他の測定方法がなぜ同意しないのかという謎を解明するのに役立ちます.
物理学者は、「電荷半径」から陽子のサイズを合理的に推測できます。これは、内部のクォーク軌道の平均的な空間範囲です。この量は、電子とミュー粒子 (別の種類の基本粒子) によってわずかに異なる方法で調べられます。電子の場合は水素原子、ミューオン水素の場合はミューオン水素が陽子と「束縛状態」を形成するときの軌道配置を調べます。ミューオンの。ミュー粒子は電子の約 200 倍重いため、それらの最低エネルギー軌道配置は、原子状水素の電子よりも陽子の周りにはるかに強く結合します。その結果、ミューオン水素のさまざまな軌道のエネルギーの違いは、陽子のサイズにはるかに敏感であり、通常の原子状水素のそれよりも「ピッチが高い」.
言い換えれば、ギターの弦を特定の張力で弾くと、フレットが開いた場合、または開いた長さの 1/200 になった場合に、はるかに高い音が生成されるのと同様に、ミューオン水素の遷移によって放出される放射の典型的な周波数は約原子状水素の200倍。これらの周波数はリュードベリ定数と呼ばれるものに関連しており、例えるならギターの弦の張力であり、陽子のサイズに関する不確実性の潜在的に重要な原因の 1 つと思われます。軌道エネルギー レベルは、この定数と陽子の電荷半径の両方に依存します。
陽子サイズの測定は、何十年も矛盾していませんでした。水素原子内の電子の軌道を観察して半径を測定したり、束縛されていない陽子から高エネルギーの電子を散乱させたりするなど、さまざまな方法で、0.875 (0.006 ギブ オア テイク 0.006) フェムトメートルの値に収束していました。これは 1 兆分の 1 ミリより少し小さいです。その収束は、「陽子のサイズ」というタイトルの論文が出た2010年に中断されました。研究者が報告したように、ミューオン水素の軌道配置に関する測定では、0.842 の値が返されました。これは大きな違いのようには見えないかもしれませんが、重要なのは付随するエラー バーです。個々の測定値は非常に正確であるため、不一致は 7 標準偏差を超えています。不一致が統計的なまぐれである可能性は、約 1 兆分の 1 未満です。
実験で使用された機器とそのキャリブレーションがすべて慎重に精査された後に確認された場合、異常な結果が得られる可能性は 2 つしかありません。陽子の荷電半径を実験的に推測するために研究者が想定している物理定数の組み合わせが、私たちが考えていたほど正確に知られていないか、電子と比較して、ミューオンが陽子と相互作用する方法に何か異なるものがあるかのいずれかです。物理学が不完全です。
後者の可能性が立証された場合、もちろん、理論物理学者の間で、新しい力と粒子の存在を暗示する可能性があるため、控えめに言っても興奮の渦を巻き起こすでしょう。それは宇宙に対する私たちの理解を再形成するだけでなく、物理学者がことわざの卓上に収まる機器を使用して粒子 (ミューオン自体など) を発見した時代への回帰を表しています.
過去数年間、さまざまなチームが、リュードベリ定数と電荷半径のさまざまな組み合わせに敏感な水素原子のさまざまな軌道遷移を調べて、問題の根底に到達しようと試みてきました。カナダのヨーク大学の研究者グループによる 2019 年の測定では、この定数の値とは無関係な特定の軌道遷移を調べ、0.833 ± 0.010 フェムトメートルの値を見つけました。これは、ミューオン水素で得られたより小さな値と一致しています。
Grinin 氏のチームはさらに一歩先を行きました。彼らは、周波数コム分光法として知られる技術を使用しました。それには、等間隔の周波数の重ね合わせであるレーザー光のパルスが含まれます。これにより、陽子サイズとリュードベリ定数の2つの異なる組み合わせに敏感な水素原子の2つの異なる軌道遷移を見ることができました。 .これにより、前例のない精度で両方を決定することができました。この技術により、これらの遷移が放出する光の周波数の観測上の不確実性は、わずか 10 兆分の 1 にまで減少しました。これは、どの標準よりも驚異的な精度です。
グリーニンのチームは、ミューオン水素で得られた値と一致する陽子の電荷半径の値を見つけただけでなく、リュードベリ定数のより正確な値を推測しました。これは、原子状水素の他の測定値で見られる不一致の一部を説明しました (これは、より正確でない値を想定していました)。
したがって、Grinin のチームが原子状水素で得た陽子電荷半径の実験値は、他の研究者がミューオン水素で最初に得た陽子電荷半径のより小さな値に収束しているようです。小さい方の値は、米国国立標準技術研究所 (National Institute of Standards and Technology) CODATA の推奨物理定数リスト (核化学者、原子化学者、および物理学者の公式年鑑) の公式値として採用されています。
実験技術の継続的な改良に基づくこの収束は、一部の人が望んでいたかもしれない新しい物理学を提供しませんでしたが、最も落胆した理論物理学者でさえ、問題を結論に近づけているように見える実験の芸術性を認めることができます.未解決のまま残っているのは、原子状水素のさまざまな分光法に依存する測定が、陽子の電荷半径に対して異なる値を返す理由です。謎と、それに伴い、素粒子物理学者の希望が薄れつつあることは、当分の間続く。
これは、カナダのペリメーター研究所のクリフ・バージェスが率いる理論物理学者のチームが、一連の論文で原子分光法における理論的不確実性のすべての考えられる原因を体系的にカタログ化するのに十分な動機でした。新しい力と粒子が明確な特徴を残す可能性がある方法を分離することにより、彼らは挑戦を実験家にしっかりと投げ返しました。今後の実験は、いつものように、この問題の最終的な決定者になるでしょう。
Subodh Patil は、ライデン大学ローレンツ理論物理学研究所の助教授です。彼は時々 @_subodhpatil でツイートしています。
