新たに測定された粒子は、既知の物理学を覆す可能性がある

物理学者たちは、Wボソンと呼ばれる素粒子が0.1パーセント重すぎるらしいことを発見した。これは基礎物理学に大きな変化をもたらす前兆となるかもしれない小さな矛盾である。

4月7日付のサイエンス誌に報告されたこの測定結果は、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の旧式の粒子加速器で得られたもので、この加速器は10年前に最後の陽子を衝突させた。フェルミ国立加速器研究所衝突検出器（CDF）の共同研究に携わる約400名のメンバーは、テバトロンと呼ばれるこの加速器で生成されたWボソンの分析を続け、無数の誤差源を突き止め、比類のない精度レベルに到達した。

標準的な理論予測に比べてWが重いことが独立して確認されれば、その発見は未発見の粒子や力が存在することを示唆し、半世紀ぶりに量子物理学の法則の大幅な書き換えをもたらすことになるだろう。

「これは私たちの世界観を根本から変えるものとなるでしょう」と、CDFには参加していないマドリード理論物理学研究所の物理学者スヴェン・ハイネマイヤー氏は述べ、その重要性は2012年のヒッグス粒子の発見に匹敵する可能性があると指摘した。「ヒッグス粒子はこれまで知られていた描像によく当てはまります。これは全く新しい領域への挑戦となるでしょう。」

この発見は、物理学界が素粒子物理学の標準モデル、すなわち既知のすべての粒子と力を捉える長年支配的な方程式の欠陥を渇望している時期に発表されました。標準モデルは不完全であることが知られており、暗黒物質の性質など、様々な大きな謎が未解明のまま残されています。CDF共同研究グループの確固たる実績により、彼らの新たな結果は標準モデルに対する確かな脅威となります。

「彼らは何百もの素晴らしい測定結果を出してきました」と、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の理論物理学者アイダ・エル＝カドラ氏は言う。「彼らは慎重なことで知られています。」

しかし、まだ誰もシャンパンを開けて喜んでいるわけではない。今回のW質量測定は単体では標準モデルの予測から大きく外れているが、Wを測定した他の実験では、それほど劇的ではない（ただし精度は劣る）結果が得られている。例えば2017年には、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験でW粒子の質量を測定し、標準モデルが示す値よりほんのわずかに重いだけであることがわかった。CDFとATLASの衝突は、どちらか一方、あるいは両方のグループが実験の微妙な問題点を見落としていることを示唆している。

「この結果を確認し、過去の測定結果との違いを理解したい」と、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を擁する欧州原子核研究機構（CERN）の物理学者で、ATLAS実験のメンバーでもあるギヨーム・ウナル氏は述べた。「Wボソンは大西洋の両側で同じでなければならない」

「これは記念碑的な研究成果だ」とマサチューセッツ工科大学のノーベル物理学者フランク・ウィルチェク氏は言う。「だが、これをどう活用すればよいのか、非常に難しい」

弱ボソン

WボソンはZボソンと共に、宇宙の4つの基本的な力の一つである弱い力を媒介します。重力、電磁気力、強い力とは異なり、弱い力は押したり引いたりする力ではなく、重い粒子をより軽い粒子に変換する力です。例えば、ミューオンは自発的にWボソンとニュートリノに崩壊し、Wボソンはさらに電子とニュートリノになります。これに関連した亜原子核の形状変化は放射能を引き起こし、太陽の輝きを支えています。

過去40年間、様々な実験によってWボソンとZボソンの質量が測定されてきました。Wボソンの質量は特に魅力的なターゲットであることが証明されています。他の粒子の質量は単に測定され、自然界の事実として受け入れられるだけですが、Wボソンの質量は、標準模型の方程式における他のいくつかの測定可能な量子特性を組み合わせることで予測できます。

フェルミ国立加速器研究所をはじめとする実験研究者たちは、数十年にわたり、Wボソンを取り巻く複雑な関係性を利用して、新たな粒子の検出を試みてきました。W粒子の質量に最も大きな影響を与える項（電磁力の強さやZ粒子の質量など）を正確に測定できるようになると、研究者たちはW粒子の質量に影響を与えるより小さな効果を感知し始めることができるようになりました。

このアプローチにより、物理学者は、1995年のトップクォークの発見直前の1990年代に、Wの質量をわずかに左右するトップクォークと呼ばれる粒子の質量を予測することができた。そして、2000年代には、ヒッグス粒子の質量が発見される前にそれを予測するという偉業を繰り返した。

理論家たちはトップクォークとヒッグス粒子が存在し、標準模型の方程式を通してWボソンと結びつくと様々な根拠から予想していたものの、今日では理論に明らかな欠落部分は見当たらない。Wボソンの質量に残る矛盾は、未知の部分を指し示すことになる。 

Wをキャッチする

CDFの新たな質量測定は、2002年から2011年にかけてテバトロンで生成された約400万個のWボソンの分析に基づいています。テバトロンが陽子を反陽子に衝突させると、その後の混乱の中でWボソンが頻繁に出現しました。Wボソンはその後、ニュートリノとミューオンまたは電子に崩壊しますが、どちらも検出が容易です。ミューオンまたは電子の速度が速いほど、それを生成したWボソンは重くなります。

デューク大学の物理学者で、CDF共同研究チームの最近の分析の原動力となったアシュトシュ・コトワル氏は、その方式の改良に生涯を捧げてきた。Wボソン実験の心臓部は、3万本の高電圧ワイヤーが詰まった円筒形の容器で、ミューオンまたは電子が通過すると反応し、CDFの研究者たちは粒子の軌道と速度を推測することができる。各ワイヤーの正確な位置を知ることは、正確な軌道を推定するために不可欠だ。今回の新たな分析では、コトワル氏と彼の同僚たちは、宇宙線として空から降り注ぐミューオンを利用した。これらの弾丸のような粒子は、ほぼ完璧な直線で検出器を絶えず貫通するため、研究者たちはワイヤーの曲がりくねった部分を検出し、ワイヤーの位置を1マイクロメートル以内の精度で正確に特定することができる。

彼らはまた、データ公開から次のデータ公開までの数年間、徹底的なクロスチェックを行い、テバトロンのあらゆる特性を理解しているという確信を築くために、それぞれ独自の方法で測定を繰り返しました。その間、Wボソンの測定結果はますます急速に蓄積されていきました。CDFが2012年に公開した最新の分析は、テバトロンの最初の5年間のデータを対象としていました。その後4年間で、データは4倍に増加しました。

「それはまるで消火ホースのように、飲み込むよりも速いスピードで私たちに襲い掛かってきました」とコトワルさんは語った。

最後の分析からほぼ10年が経ち、ついに共同研究は息を吹き返した。2020年11月にZoomで行われた会議で、コトワル氏はボタンを押すだけでチームの分析結果を解読した（チームは分析に影響を与えないよう暗号化されたデータを使っていた）。

物理学者たちがその答えを理解すると、静寂が訪れた。彼らはWボソンの質量が804億3300万電子ボルト（MeV）であることを発見した。これは9MeVの誤差を含む。これは標準モデルの予測よりも76MeVも重いことになり、測定や予測の誤差範囲の約7倍にも及ぶ。

このような「7シグマ」の差異は、物理学者が決定的な発見を主張するために通常クリアしなければならない5シグマのレベルを超えています。しかし、今回の場合、ATLAS実験や他の実験による測定値が低かったため、物理学者たちは依然として躊躇しています。

「これは発見ではなく、挑発的なものだと言えるでしょう」と、フェルミ国立加速器研究所の理論物理学者クリス・クイッグ氏は述べた。同氏は今回の研究には関わっていない。「今回の発見によって、この異常値を受け入れる理由が生まれたのです」

実験の衝突

テバトロンが塵と化している今、CDF測定の検証または反証の責任は大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に委ねられることになる。LHCはすでにテバトロンよりも多くのWボソンを生成しているが、衝突率が高いためWの質量分析は複雑化している。しかしながら、LHCは今後数年間で、おそらくより低いビーム強度で追加データを収集することで、この緊張を解消できる可能性がある。

一方、理論家たちは、特大の W ボソンが何を意味するのかを考えずにはいられません。

ミューオンが電子に崩壊する際に一時的にWボソンを放出すると、その中間体であるWボソンは他の粒子、さらには未発見の粒子と相互作用する可能性があります。この未知粒子との相互作用こそが、Wの質量を歪める可能性があるのです。

重いWボソンは、私たちが知っているものよりもより孤立した第二のヒッグス粒子によるものである可能性があります。あるいは、弱い力の変種を媒介する新たな質量を持つボソン、あるいは複数の粒子からなる「複合」ヒッグス粒子で、それらを結びつける新たな力を持っている可能性も考えられます。

一部の理論家は、長年研究されてきた超対称性理論によって予測される粒子に疑念を抱いています。この枠組みは物質粒子と力を伝える粒子を結び付け、既知の粒子それぞれに、反対のタイプの未発見のパートナーが存在すると仮定しています。LHCで「スーパーパートナー」が実現できなかったため、超対称性は廃れてしまいましたが、一部の理論家は依然としてそれが真実であると信じています。

ハイネマイヤー氏と共同研究者らは最近、特定の超対称粒子が、標準モデルとのもう一つの想定される矛盾であるミューオンg-2異常を解決できる可能性があることを計算しました。これにより、これらの粒子はWボソンの質量もわずかに増加させると考えられますが、CDFの測定値と一致するにはさらに多くの新しい粒子が必要になります。「g-2異常の解明に役立つ粒子が、Wボソンの質量の解明にも役立つ可能性があるというのは、非常に興味深いことです」と彼は述べています。

実験者たちが精密測定を磨くために苦労していることにより、研究者たちは待望の画期的な成果がもたらされるだろうと楽観視している。

「全体的に見て、何かが壊れる地点に近づいているように感じます」とエル＝カドラ氏は述べた。「標準モデルの真髄を超越する領域に近づいているのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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