数百人の科学者による共同研究により、弱い核力の源となる素粒子であるWボソンの質量が精密に測定されました。研究者たちは驚くべきことに、このボソンの質量は、宇宙におけるいくつかの基本的な力を記述する実用的な理論である素粒子物理学の標準モデルで予測される質量よりも大きいことを発見しました。
この新たな値は、世界54の異なる機関に所属する400人の研究者による10年間にわたる実験と計算から導き出されたもので、息を呑むような努力の成果です。すべてのデータは、イリノイ州シカゴ近郊にあるフェルミ国立加速器研究所のテバトロン加速器にある、高さ4階建て、質量4,500トンの衝突型検出器（略称CDF-II）で行われた実験から収集されました。
CDFコラボレーションは、Wボソンの質量が80,433 +/- 9 MeV/c^2であることを発見しました。これは、以前の質量測定の約2倍の精度です。スケール感を示すために、新たな測定ではWボソンの質量は陽子の約80倍とされています。研究チームの研究結果は本日、Science誌に掲載されました。
「実のところ、ここで起こったことは、科学の世界ではよくあることです。私たちはその数字を見て、『おや、これは面白い』と思いました」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・トバック氏はビデオ通話で語った。「人々がただただ襲われていくのが分かりました。静かでした。どう解釈したらいいのか、全く分かりませんでした」
「（この結果に）とても嬉しい驚きを感じました」と、デューク大学の物理学者でCDF共同研究チームのメンバーであるアシュトシュ・コトワル氏はメールで述べた。「私たちは分析の精度と堅牢性に非常に重点を置いていたので、この値自体が素晴らしい衝撃でした。」
Wボソンは弱い核力と関連しており、これは放射性崩壊の一種と恒星で起こる核融合を引き起こす基本的な相互作用です。心配しないでください。ボソンの質量が予想とは大きく異なるからといって、核融合などの現象を完全に誤解しているわけではありません。しかし、これは私たちの宇宙を構成する粒子とその相互作用について、まだ多くのことが分かっていないことを意味します。
「標準モデルは素粒子物理学において最高の理論です。驚くほど優れています。問題は、私たちが間違っていることを知っていることです」とトバック氏は述べた。「科学者の視点から見ると、実験者たちは『標準モデルが正しく予測していない何かを見つけられないか？それがより真実に近いものへの手がかりになるかもしれない』と問いかけているのです」
標準模型はWボソンの質量を予測しており、研究チームはフェルミ国立加速器研究所における陽子と反陽子の衝突によって生成された400万個のWボソン候補を評価することで、この値に挑戦しようとした。その結果は、標準模型の予測よりもなんと7標準偏差も高かった。過去28年間に5回にわたり、Wボソンの質量の精度が向上した測定値を発表してきたコトワル氏は、「7標準偏差の増加が統計的な偶然である確率は10億分の1未満だ」と述べた。
トバック氏は、この測定を800ポンド（約360kg）のゴリラの体重を実際の体重から1オンス（約28g）以内の誤差で測るようなものだと例えた。多くの科学実験、特に質量が非常に小さい素粒子物理学の実験と同様に、研究者たちは計算結果が研究チームの期待や希望に影響されないように、結果を隠蔽した。
しかし今、これまでの低い推定値とは大きく異なる、極めて精密な測定結果を得て、物理学者たちは標準モデルが説明できないものを解明するという、やりがいのない課題に直面しています。素粒子物理学が人類の推測と現実で異なることが証明されたのは、これが初めてではありません。昨年4月、ミューオンg-2コラボレーションは、ミューオン（別の素粒子）の特性が標準モデルの予測と一致しない可能性を示すさらなる証拠を発見しました。そして、私たちの宇宙における最も重要な2つの事実、重力と暗黒物質は、周知のとおり標準モデルでは説明できません。
「より根本的な理論とは何かを解明するためには、（標準モデル）では説明できない現象を見つけることが重要です」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者クラウディオ・カンパニャーリ氏はメールで述べた。カンパニャーリ氏は今回の研究には関与していない。「言い換えれば、（標準モデル）近似が破綻する現象です。」カンパニャーリ氏は、この新たな測定に関するPerspectives誌の記事の共著者である。
まさにそれを実現するために、様々な衝突実験が計画されています。これらの実験では、本日の発見が持つ意味を、異なる衝突実験を用いて探究します。CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）にある2つの検出器、ATLASとコンパクト・ミューオン・ソレノイド（CMS）からはまだ結果が得られていません（この2つの検出器は、10年前にヒッグス粒子を発見した検出器です）。また、高輝度大型ハドロン衝突型加速器（HLC）は、衝突回数を10倍に増やすアップグレード計画で、2027年に完成すれば、魅力的な新粒子を発見する可能性も高まります。
CDFでは陽子と反陽子の衝突が起こっていたのに対し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）では陽子と陽子の衝突が起こっています。コトワル氏は、もし人類が電子陽電子衝突型加速器を建設すれば、LHCでは発生できない希少な現象の精密な測定と探索が可能になると述べました。
Perspectives記事の共著者であるCERNの物理学者、マルタイン・マルダース氏はメールで、物理学者たちはモデルの検証に2つのアプローチを取るだろうと述べた。1つは、Wボソンのような既知の粒子をより高精度に測定すること、もう1つは、全く新しい粒子を発見することだ。新しい粒子は、しばしば「バンプハンティング」、つまり素粒子の集まりであるモッシュピットのノイズをふるいにかけ、予期せぬものが何なのかを探ることで発見される。
テバトロン加速器は、共同研究チームが実験を終えた直後の2011年に停止しました。そのため、今日の成果は、この伝説的な装置にとっていわば復活であり、チームと素粒子物理学全体にとって大きな勝利と言えるでしょう。
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