一瞬の素粒子が主要な物理学理論の欠陥を露呈させるかもしれない

素粒子物理学における最大の疑問の 1 つは、場自体が宇宙の不完全な姿を物語っているかどうかである。シカゴ郊外にある米国エネルギー省の施設、フェルミ国立加速器研究所では、素粒子物理学者がこのアイデンティティ危機の解決に取り組んでいる。そこでは、ミューオンg -2 (「 gマイナス 2」と発音) コラボレーションのメンバーが、ミューオンと呼ばれる特異な粒子を注意深く測定してきた。先週、彼らは最新の結果を発表した。ミューオンは、電子よりも重く、より短命な粒子であり、未知の何かの影響下にある可能性がある。

もしこれが正確であれば、現代の素粒子物理学の基礎をなす理論がすべてを語っていないことを示している。それともそうだろうか？ 共同研究グループの科学者がミューオンを研究する一方で、理論研究者はミューオンの数を再評価しており、そのような誤りが存在するかどうかは疑問である。

「いずれにせよ、理解されていないことがあり、それを解決する必要がある」と、英国ランカスター大学の素粒子物理学者でミューオンg -2共同研究チームのメンバーであるイアン・ベイリー氏は言う。

現代の素粒子物理学の実証済みの基本法則、つまり科学者が標準モデルと呼ぶ法則は、ミューオンを宇宙の基本的な構成要素の 1 つとして位置づけています。ミューオンは電子と同様に、負の電荷を帯びた亜原子粒子です。電子とは異なり、ミューオンは数百万分の 1 秒後に崩壊します。それでも、科学者は自然界でミューオンに遭遇することはよくあります。地球の上層大気は、地球に衝突する高エネルギー宇宙線によって発生するミューオンの雨で覆われています。

しかし、ミューオンが物理学者が予想するような外見を常に示さないとすれば、それは標準モデルが不完全であり、これまで知られていなかった何らかの物理現象が作用している兆候である。「結局のところ、ミューオンは、電子よりも新しい物理現象の存在に敏感であると予測されています」とベイリー氏は言う。

[関連: 電力を大量に消費する粒子加速器にグリーン革命が到来]

ミューオンも電子と同様に、回転するコマのように回転し、磁場を作り出します。g はミューオンの回転速度を定義します。ミューオンが単独で存在する場合、 gの値は 2 です。実際には、ミューオンは単独では存在しません。真空中でも、ミューオンは量子的な存在から現れたり消えたりする短命の「仮想粒子」の群れに追い回され、ミューオンの回転に影響を与えます。

標準モデルはこれらの粒子も説明するはずだ。しかし、2000年代にブルックヘブン国立研究所の科学者がgを測定し、それが標準モデルの予測よりもわずかだがかなり大きいことを発見した。おそらくブルックヘブンの科学者は間違っていたのだろう。あるいは、ミューオンは標準モデルが考慮していない粒子や力に翻弄されていたのかもしれない。

標準モデルの破綻は素粒子物理学史上最大の出来事の一つとなるだろうが、素粒子物理学者はそのような混乱を軽視しない。ブルックヘブンの科学者たちは実験をイリノイ州のフェルミ国立加速器研究所に移し、そこではより強力な粒子加速器を利用してミューオンを大量生産できるようになった。2018年、ミューオンg -2実験が始まった。

3年後、実験協力チームは最初の結果を発表し、ブルックヘブンがミスを犯したわけでも錯覚を見たわけでもないことを示唆した。先週発表された結果には、2018年と2019年の追加実験からのデータが追加され、2021年に発表された内容を裏付け、精度を向上させている。観測されたgの値はおよそ2.0023で、小数点第8位以降は理論の予測値と異なる。

[関連: 科学者が宇宙の最初の瞬間からのつかの間の粒子を発見]

「磁気異常の真の値をうまく突き止めることができました」と、コーネル大学の素粒子物理学者でミューオンg -2共同研究チームのメンバーであるローレンス・ギボンズ氏は言う。

この結果が数年前に発表されていたら、物理学者たちはそれを標準モデルを超えた物理学の決定的な証拠として歓迎していたかもしれない。しかし今日では、それはそれほど単純ではない。量子の世界の出来事はほとんど単純ではないが、これらの量子研究の障害となっているのは、標準モデルの予測自体が曖昧であるという事実である。

「理論面では変化が起きている」とベイリー氏は言う。

物理学者は、ミューオンの重力を引っ張る「仮想粒子」は、さまざまな力で引っ張ると考えています。一部の粒子は電磁力で引っ張りますが、その影響は簡単に計算できます。他の粒子は強い核力で引っ張ります (その効果は主に、原子核内で粒子をまとめる力として注目されます)。強い核力の影響を計算するのは悪夢のように複雑で、理論素粒子物理学者は過去の実験データを計算に代用することがよくありました。

しかし最近、一部の理論家グループが「格子量子色力学」または格子 QCD と呼ばれる手法を採用し、強い核力の数値をコンピューターで計算できるようになりました。科学者が格子 QCD の数値をg予測に入力すると、ミューオンg –2 の結果とより一致する結果が得られます。

混乱に拍車をかけているのは、シベリアにある別の粒子実験（CMD-3 として知られる）でも、ミューオンg -2 の不一致を解消する結果が出たことだ。「これは本当に頭を悩ませる問題です」とギボンズ氏は言う。

ミューオンg -2 コラボレーションはまだ終わっていない。2021 年から 2023 年にかけて収集された 3 倍のデータを分析することが、コラボレーションの ToDo リストに残っている。2025 年に完了する可能性のあるすべてのデータを分析すると、物理学者はg - 2 の推定値を 2 倍の精度にできると考えている。しかし、理論物理学者が予測を更新しようと競っているため、この改良で事態が収束するかどうかは不明だ。ミューオンが本当に異常な振る舞いをしているかどうかという疑問は、未解決のままである。