ミューオンが新たな物理学の舞台として棺桶に閉じ込められるかもしれない。物理学者チームは、シミュレーションでミューオンの特性を高精度に計算し、この粒子の特性がこれまで考えられていたよりも標準模型と一致することを発見した。
このチームはBMWコラボレーションと呼ばれ、 研究は現在プレプリントサーバーarXivで公開されています。つまり、査読付き学術誌にはまだ掲載されていません。 2021年にNature誌に掲載された同チームの以前の研究結果は、「実験と理論の間に長年存在していた乖離を弱めた」とされています。言い換えれば、彼らの研究は、ミューオンの理解において、実験物理学と理論予測の整合性を高めたと言えるでしょう。
新たな論文で、研究チームは以前の研究よりも微細な格子上で大規模な格子量子色力学（QCD）シミュレーションを実施し、より精密な計算結果を導き出した。本質的には、研究チームはQCDを入力として時空にグリッドを設定し、シミュレーションを行った。その結果、ミューオンの異常磁気モーメントが予測され、その特性の測定値における実験平均値からわずか0.9標準偏差しかずれていなかった。
ミューオンと標準モデル
ミューオンは電子の約207倍の質量を持つ素粒子です。約20年にわたり、科学者たちはミューオンを新たな物理学の発見の場として捉えてきました。問題は、ミューオンの異常磁気モーメント（g-2）の測定にあります。g-2は、磁場の存在下での粒子の揺れに対する量子力学の寄与を表す特性です。ミューオンのg-2は、過去50年間物理学を支えてきた基礎理論群である素粒子物理学の標準モデルの予測と矛盾していました。
粒子衝突を通してg-2を測定する大規模な実験とは異なり、チームの研究は「実験的な入力は一切必要としません。必要なのは、基礎理論であるQCDの活性化だけです」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の理論素粒子物理学者で、本研究の共著者であるゾルタン・フォーダー氏は、ギズモードとの電話インタビューで述べた。「最終的に、今日の私たちの図に見られる通り、実験結果と完全に一致する結果が得られました。」
言い換えれば、研究チームの発見は、ミューオンの予測される異常磁気モーメントと標準モデルによる予測との間の見かけ上の隔たりは、これまでの研究結果が示唆したほど大きくないことを示唆している。
主要な実験結果は新しい物理学を示唆した
ミューオンの異常磁気モーメントは1960年代に欧州原子核研究機構（CERN）で初めて測定されましたが、測定精度は低かったです。2006年、ブルックヘブン国立研究所のE821実験は、ミューオンのg-2の最終測定値を発表しました。この測定値は標準モデルの予測値と2標準偏差以上異なり、その後の計算で3標準偏差以上にまで膨れ上がりました。
「ミューオンのg-2を新しい物理学で説明するのはそれほど簡単ではありません」と、チューリッヒ大学とポール・シェラー研究所の理論物理学者アンドレアス・クリヴェリン氏はギズモードとの電話インタビューで述べた。「自然に出てくるものではありません。むしろ、かなり大きな効果をもたらすモデルを見つけるために努力する必要があるのです。」
物理学者が真の発見が行われたと信じる統計上のマイルストーン、つまり標準モデルのもとで結果が偶然に生じる確率が極めて小さいことを示すのは、5 標準偏差、つまり「5 シグマ」です。
2021年、ミューオンg-2コラボレーションは、ミューオンの磁気モーメントの測定値が標準模型と4.2標準偏差ずれていることを発表しました。ブルックヘブン実験の結果以来、両者の差は拡大していました。しかし昨年、ロシアの加速器CMD-3による実験結果により、両者の差は縮まったようです。見方によっては、二歩前進、一歩後退と言えるかもしれません。
「格子からの第一原理計算とCMD-3の測定結果は一致しており、どちらも新しい物理現象を示唆するものではありません」とクリベリン氏は述べた。「ミューオンのg-2に本当に大きな新しい物理効果があるとは、あまり期待していません。」
これによって我々はどうなるのでしょうか?
ミューオンの特性を探る方法は他にもあります。2022年、ギズモードは複数の物理学者に、2012年のヒッグス粒子の観測以来、比較的静穏な状況にあることを踏まえ、素粒子物理学における次の大きなブレークスルーは何になるか尋ねました。ある物理学者はミューオン衝突型加速器を提案しました。「ミューオンに問題があるなら、ミューオンを使って解明しましょう」と彼らは言いました。
先週、別の研究チームがミューオンビーム実験の分析結果を発表しました。この結果は、将来のミューオン衝突型加速器への道を開く可能性があります。しかし、新たな衝突型加速器の建設には多額の費用と時間がかかります。
既存の実験では、より多くのデータは常に有用であり、以前の結果をより正確な方法で再検証することで、標準模型が依然として妥当であるかどうかを示すことができる可能性があります。フェルミ国立加速器研究所のミューオンg-2実験は、来年最終結果を発表する予定です。これまでの結果が何らかの指標となるとすれば、来年の数値はミューオンの謎の物語における新たなデータポイントとなるでしょうが、最終章となるわけではありません。
