ミュオン発見により物理学者は理論的対立に一歩近づく

7月24日、大規模な研究者チームがリバプールに集まり、私たちの宇宙に新たな物理学への扉を開く可能性のある素粒子であるミューオンの挙動に関する単一の数値を明らかにした。

誰かが結果を公開するために秘密のコードを書いたとき、全員の目がコンピューター画面に集まりました。 最初に発表された数字は憤慨で迎えられた。不安をもたらすショットが多すぎる、なんてことだ、我々は何を間違ったのだろうか。 「複数の大陸にわたって集団的な呼気の発生があった」と、5時間離れたところにいて会議にほぼ出席していたバージニア工科大学の物理学者ケビン・ベイツ氏は、最終計算を行った後に語った。 新しい測定値は、物理学者が 2 年前に計算したものとほぼ同じであり、精度は 2 倍になりました。

そこで、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）でミュオンの偏向運動を研究する実験を行っているミュオン g-2 コラボレーションから最新の発見がもたらされた。 測定、 一般に発表する と Physical Review Letters に提出されました 木曜日の朝、物理学者たちは、宇宙を構成する物質とエネルギーの種類が計算されているよりも多いかどうかの発見にまた一歩近づいた。

「すべては本当にその一桁にかかっています」と、マサチューセッツ工科大学リンカーン研究所の物理学者で、大学院生としてミュオンの測定に取り組んだハンナ・ペニー氏は言う。

科学者たちは、自然界のすべての既知の粒子と力を含む壮大な理論である標準モデルをテストしています。 標準模型は無数の実験の結果をうまく予測してきましたが、物理学者は長い間、その枠組みが不完全であるという予感を抱いていました。 この理論は重力を説明できず、暗黒物質 (宇宙を結びつける接着剤) や暗黒エネルギー (宇宙を引き離す力) も説明できません。

研究者が標準模型を超える物理学を模索する多くの方法の 1 つは、ミュオンを研究することです。 電子のより重いいとこであるミューオンは不安定で、より軽い粒子に崩壊するまでにわずか 200 万分の 2 秒しか生存しません。 また、小さな棒磁石のようにも機能します。ミュオンを磁場の中に置くと、コマのように揺れます。 この運動の速度は、磁気モーメントと呼ばれるミューオンの特性に依存します。磁気モーメントは、物理学者によって記号 g​​ で略されます。

理論的には、g は正確に 2 に等しいはずです。 しかし物理学者は、この値が仮想粒子の「量子泡」によって揺らぎ、存在を消滅させ、空の空間が真に空になることを妨げていることを知っています。 これらの通過する粒子は、ミュオンの振動速度を変化させます。 標準モデル内のすべての力と粒子の一覧表を作成することにより、物理学者は、どれだけの g が補償されるかを予測できます。 彼らはこの偏差を g-2 と呼びます。

しかし、未知の粒子が存在する場合、実験による g の測定はこの予測と一致しません。 「それが、ミュオンの研究を非常に興味深いものにしているのです」とペニー博士は語った。 「私たちがまだ知らない粒子も含め、そこに存在するすべての粒子に敏感です。」 彼女は、理論と実験の違いは、新しい物理学が目前に迫っていることを意味すると付け加えた。

g-2 を測定するために、フェルミ研究所の研究者らはミュー粒子のビームを生成し、直径 50 フィートのドーナツ型磁石に向けました。その内部には、生命を吹き込まれた仮想粒子が充填されていました。 ミューオンがリングの周りを飛び回るとき、その縁に沿った検出器がミューオンがどのくらいの速さで揺れるかを記録した。

研究チームが2021年に研究者が持っていたデータの5倍にあたる400億個のミュオンを使用して、研究チームはg-2を0.00233184110と測定した。これは2から10分の1パーセントの偏差である。結果は0.2ppmの精度だった。 ベイツ博士は、これはニューヨーク市とシカゴの間の距離をわずか10インチの不確かさで測定するようなものだと述べた。

「これは驚くべき成果だ」とマンチェスター大学の物理学者であり、Muon g-2 Collaboration のメンバーである Alex Keshavarzi 氏は述べた。 「これは粒子加速器でこれまでに行われた世界で最も正確な測定です。」

しかし、測定された g-2 が標準モデルの予測と一致するかどうかはまだ判断されていません。 それは、理論物理学者が、原子核内で陽子と中性子を保持する強い力を計算する異なる方法に基づいて、g-2 を計算する 2 つの方法を持っているためです。

従来の計算は、世界中での実験による 40 年間にわたる激しい力の測定に基づいています。 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の理論物理学者で、moon-g-2理論イニシアチブの議長であるアイダ・カドラ氏は、このアプローチでは、g-2の予測は使用されたデータと同じくらい優れていると述べた。 彼女は、そのデータには経験的な限界があるため、その予測の精度が低くなる可能性があると述べた。

スーパーコンピューターを使用して宇宙を時間と空間の点の 4 次元グリッドとしてモデル化する、グリッド コンピューティングと呼ばれる新しいテクノロジーも登場しました。 アル・カドラ氏は、この方法がデータからまったく恩恵を受けていないことを認めた。 問題が 1 つだけあります。それは、従来の方法とは異なる g-2 予測が生成されることです。

「なぜこの二人がこれほど違うのか誰も分かりません」とケシャヴァルジ博士は言う。 「それらはまったく同じであるはずです。」

従来の予測と比較して、最新の g-2 測定には 5 シグマを超える分散があり、結果がまぐれである確率は 350 万分の 1 に相当するとケシャヴァルジ博士は述べ、この程度の確実性は超えていると付け加えた発見を主張するために必要なレベル。 (これは、 2021 年の 4.2-シグマの結果、および今世紀初頭近くにブルックヘブン国立研究所で行われた 3.7 シグマ測定)。

しかし、それを網膜の予測と比較したところ、まったく矛盾はなかったとケシャヴァルジ博士は述べた。

ベイツ博士によると、実験が物理学の理論を超えることはめったにないが、今回はその1つだという。 「理論コミュニティに関心が集まっている」と彼は付け加えた。 「明かりが灯りました。」

ペニー博士は、「この理論の議論がどのように展開するか、我々は今まさに瀬戸際に立っている」と語った。 物理学者は、2025 年までに g-2 予測をよりよく理解できると期待しています。

2 つの理論陣営がそれに取り組んでいる間、実験家は g-2 測定をさらに磨き上げます。 精査すべきデータの量は 2 倍以上残っており、それが含まれると、精度は別の要素で向上します。

最新の発見により、物理学者は標準模型との対決に一歩近づきました。 しかし、たとえ新しい物理学が確認されたとしても、それが実際に何であるかを解明するにはさらに多くの研究が必要となるだろう。 ケシャヴァルジ博士は、既知の自然法則の不完全性の発見は、物理学者にどこを見るべきかを教えるため、新世代の実験の基礎を築くだろうと述べた。

標準理論の限界を押し上げることに 30 年近くを費やしてきたベイツ博士にとって、新しい物理学の存在を証明することは記念すべき出来事であり、やるべきことすべてを思い出させるものとなるでしょう。 「一方では、乾杯して成功を祝うことになる。これは真の進歩だ」と彼は言う。 「しかし、その後仕事に戻ります。次に取り組むことができるアイデアは何ですか?」