3,200 年前、ミューオンと呼ばれる素粒子を研究するために、巨大な磁石が陸海を越えて 5,150 マイル (XNUMX km) にわたって輸送されました。
ミューオンは、あらゆる原子を周回し、物質の構成要素を形成する電子と密接に関係しています。電子とミューオンはどちらも、素粒子を説明する現在の最高の科学理論によって正確に予測される特性を持っています。 量子 世界、 素粒子物理学の標準模型.
全世代の科学者が、これらの特性を詳細に測定することに専念してきました。 2001 年の実験では、ミュオンの XNUMX つの特性が標準模型の予測どおりではないことが示唆されましたが、それを確認するには新たな研究が必要でした。物理学者たちは実験の一部をフェルミ研究所の新しい加速器に移し、より多くのデータの取得を開始した。
A 新しい測定 現在、最初の結果が確認されています。これは、標準モデルでは考慮されていない新しい粒子または力が存在する可能性があることを意味します。そうなった場合、物理法則を修正する必要がありますが、それがどこにつながるかは誰にもわかりません。
この最新の成果は、私たちもその一員である国際協力から生まれました。私たちのチームは粒子加速器を使用して、ミュオンの磁気モーメントと呼ばれる特性を測定してきました。
それぞれのミューオンは、磁場にさらされると小さな棒磁石のように動作します。この効果は磁気モーメントと呼ばれます。ミュオンには「スピン」と呼ばれる固有の特性もあり、スピンとミュオンの磁気モーメントの関係は g 因子として知られています。電子とミューオンの「g」は 2 であると予測されるため、g マイナス XNUMX (g-XNUMX) はゼロになるように測定される必要があります。これがフェルミ研究所で私たちがテストしていることです。
これらの実験では、科学者は加速器と同じ種類の技術を使用しました。 CERN LHCで使用します。フェルミラボ加速器は、非常に大量のミューオンを生成し、それらが磁場とどのように相互作用するかを非常に正確に測定します。
ミュオンの挙動は、真空から飛び出したり消えたりする「仮想粒子」に影響を受けます。これらは瞬間的に存在しますが、ミューオンが磁場とどのように相互作用するかに影響を与え、たとえ微量であっても測定された磁気モーメントを変化させるのに十分な長さです。
標準モデルは、この影響が何であるかを非常に正確に、100 万分の 1 以上の精度で予測します。どのような粒子が真空に出入りしているかを知っている限り、実験と理論は一致するはずです。しかし、実験と理論が一致しない場合、仮想粒子のスープについての理解は不完全になる可能性があります。
新しい粒子
新しい粒子が存在する可能性は単なる推測ではありません。このような粒子は、物理学におけるいくつかの大きな問題の説明に役立つ可能性があります。たとえば、宇宙にはなぜ とてもたくさんの暗黒物質 - c銀河が予想よりも速く回転するようにする - そしてビッグバンで作られた反物質のほぼすべてが消滅したのはなぜでしょうか?
これまでの問題は、これらの提案された新しい粒子を誰も見たことがないということです。 CERN の LHC が高エネルギー陽子同士の衝突で生成することが期待されていましたが、まだ観測されていません。
新しい測定には、今世紀初頭にニューヨークのブルックヘブン国立研究所で行われた実験と同じ手法が使用され、それ自体はCERNでの一連の測定に続いたものでした。
ブルックヘブンの実験では、統計上のまぐれである可能性が 1 分の 5,000 である標準モデルとの不一致が測定されました。これは、コインをすべて表で 12 回連続で投げるのとほぼ同じ確率です。
これは興味深いものでしたが、一般に 1.7 万分の XNUMX よりも優れていることが求められる発見の基準をはるかに下回っていました。 - またはコインを21回連続で投げます。新しい物理学が作用しているかどうかを判断するには、科学者は実験の感度を XNUMX 倍に高める必要があります。
改善された測定を行うために、実験の中心となる磁石は2013年にロングアイランドから海と道路に沿って3,200マイル離れたシカゴ郊外のフェルミ研究所に移動されなければならなかった。その加速器は大量のミュオン源を生成することができた。
設置後は、最先端の検出器と機器を使用して、磁石を中心とした新しい実験が構築されました。ミューオン g-2 実験は、ブルックヘブン実験のベテランと新世代の物理学者の協力を得て、2017 年にデータの取得を開始しました。
フェルミ研究所の初年度データから得られた新しい結果は、ブルックヘブン実験の測定結果と一致している。結果を組み合わせると、実験測定と標準モデルの間の不一致の根拠が強化されます。現在、不一致がまぐれである可能性は約 40,000 分の XNUMX です。 - まだゴールドスタンダードの発見基準には及ばない。
LHC
興味深いことに、 LHCb実験による最近の観察 CERN では、標準モデルからの逸脱の可能性も発見しました。興味深いのは、これがミュオンの性質にも言及していることです。今回は、より重い粒子からミューオンと電子がどのように生成されるかの違いです。標準モデルでは 2 つの速度は同じであると予想されますが、実験による測定では異なることが判明しました。
総合すると、LHCb とフェルミ研究所の結果は、標準モデルの予測が失敗するという最初の証拠が観察され、自然界には発見されるべき新しい粒子または力が存在するという主張を強化するものです。
最終的な確認のためには、フェルミ研究所のミュオン実験とCERNのLHCb実験の両方からのより多くのデータが必要です。結果は今後数年以内に明らかになるでしょう。フェルミ研究所は、この最近の結果で使用されたデータの 4 倍以上のデータをすでに保有しており、現在分析中です。CERN はさらに多くのデータの取得を開始し、新世代のミュオン実験を構築しています。今は物理学にとって刺激的な時代です。
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画像のクレジット： フェルミ研究所/ライダー・ハーン
