欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の研究者チームがWボソンの質量を測定し、それが4つの基本的な力と物質の最小単位の特性を記述する包括的理論である素粒子物理学の標準モデルと一致していることを発見した。
この研究チームの発見は、昨年、CDFコラボレーションの何百人もの科学者の共同研究によって行われた精密な測定と矛盾する。彼らは、弱い核力を引き起こす素粒子であるWボソンの質量が、これまで考えられていたよりもはるかに大きいことを発見し、嬉しい驚きを覚えた。これは標準モデルの予想を覆す発見だった。
2 つの測定値間の約 73 メガ電子ボルトの差は、ボソンの実際の質量が標準モデルとほぼ一致するか、大幅に異なるかの違いです。
CERNチームは先月のモリオン会議でこの結果を発表しました。この数値は、2011年に行われたATLAS実験の一環として、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における陽子同士の衝突で生成された約1400万個のWボソン候補粒子の再解析から得られたものです。
CERNの発表によると、彼らはボソンの質量を80,360±16MeVと発見した。これはATLASによる以前の推定値より10MeV低く、16%精度が上がったことになる。
「ATLASの今回の最新結果は厳密な検証を提供し、電弱相互作用に関する我々の理論的理解の一貫性を確認するものだ」とATLAS実験の広報担当者、アンドレアス・ヘッカー氏は発表の中で述べた。
しかし、事態はそう単純ではない。昨年、CDFコラボレーションは、同じく2011年にイリノイ州にあるフェルミ国立加速器研究所のテバトロン加速器で行われた衝突実験に基づき、このボソンの質量を80,433±9MeVと測定した。（テバトロンは2011年の実験運転直後に停止した。）
CERNとフェルミ国立加速器研究所で行われた2つの測定値の差は小さいように見えますが、原子核スケールでは大きな差であり、標準模型に重要な意味を持ちます。ちなみに、CDFコラボレーションが推定したボソンの質量は、陽子の約80倍です。
「ATLAS実験の文書には、ATLASが2017年に既に発表したのと同じデータの『再解析』について記述されているため、ATLASが以前と同様の値を得ることは予想通りです」と、デューク大学の物理学者でCDFコラボレーションのメンバーであるアシュトシュ・コトワル氏はギズモードへのメールで述べています。「再解析は、基本的に以前の発表と同じ手法を用いています。古いデータの微調整された解析を宣伝するためにプレスリリースが発行されたことは興味深いことです。」
「CDFの測定は、Wボソンの質量に関する世界で最も正確な測定であり続けています」とコトワル氏は付け加えた。
数千人の科学者が参加するこれらの別々の実験では、この基本粒子の質量について全く異なる数値が得られました。どちらのチームも、そのアプローチに何ら問題がないことを確認しています。
「昨年、私たちは世界中に結果を示してきましたが、方法やクロスチェックに関して実質的な懸念は見つかりませんでした」と、テキサスA&M大学の物理学者でCDFコラボレーションの広報担当者であるデビッド・トバック氏は、ギズモードへのメールで述べています。「世界中のコラボレーションを結集し、違いを理解できるかどうかを確認しましたが、それでも違いの説明は得られませんでした。」
では、一体何が起こっているのでしょうか？ 標準モデルは1970年代初頭から、素粒子物理学の理解を導く枠組みとなってきました。しかし、物理学者もそのことを重々承知しているように、標準モデルは暗黒物質、つまり直接観測できない謎めいた存在、つまり暗黒エネルギーを考慮に入れていません。暗黒物質は宇宙の68%を占め、宇宙の加速膨張の原因と考えられています。また、重力は私たちの生活の基盤となる力ですが、原子核以下のスケールでは存在しないようです。
W ボソンのような基本粒子の正確な測定は、物理学者が標準モデルの限界を理解するのに役立ちます。それらの限界が特定されると、科学者は新しいものを発見する準備がより整います。
言い換えれば、原子核の世界には既知の未知が溢れており、時には非常に奇妙な結果が得られることも良いことなのです。何が真の発見で何がデータ上の偶然の産物なのかを見極めることが課題なのです。
トバック氏は、誤差範囲が最も小さい測定値、あるいは標準モデルの推定値との差が最も小さい測定値、つまりATLASの数値が正しいと結論付けたくなる人もいるかもしれないと述べた。
「私は単純なものには興味がありません。CDFも単純なものには興味がありません。科学は『真実』を提供するのではなく、その瞬間における私たちの最善の理解を提供するのです」とトバック氏は述べた。「ATLASが会議録を出版し、血みどろの詳細をすべて網羅してくれるのを楽しみにしています。そうすれば、私たち自身の理解と同じレベルで、彼らの会議録も理解できるでしょう。」
CDF と最近の ATLAS 分析の成果に加えて、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の実験である ATLAS、コンパクト・ミューオン・ソレノイド、LHCb からも W ボソンのさらなる測定結果が期待されています。
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のエネルギーが低すぎて、標準模型が見落としているものを解明するのに役立つ粒子を生成できない可能性もある。もしそうだとすれば、粒子間の新たな反応を誘発するには、LHCのアップグレード版か、はるかに質量の大きい衝突型加速器の開発を待たなければならないだろう。
さらに: ヒッグス粒子から 10 年後、物理学の次の大事件は何でしょうか?
