「衝突」が新たな結果をもたらす！物質と反物質の違いを探るための高感度プローブ

北京電子陽電子衝突型加速器の北京スペクトロメータ III (BESIII) 実験では、まったく新しい手法が実装され、物質と反物質の違いを研究するための極めて感度の高いプローブが提供されています。 6月2日、関連する研究成果がネイチャー誌に掲載されました。

論文の匿名の査読者全員が、この成果を高く評価しました。「革新的な測定方法」、「非常に重要」、「非常に斬新」、「魅力的」、「非常に有望」... 匿名の査読者をこれほど興奮させた成果とは何でしょうか?

正負の Corsi ハイペロン カスケード崩壊の実証。写真提供：中国科学院高エネルギー物理研究所

うまくペアにならない反物質

「物質・反物質の非対称性」は、半世紀以上にわたって科学界を悩ませてきた問題であり、素粒子物理学者が探し求めてきた現象でもある。彼らはよく「CP 破壊」という言葉を口にします。

「CP破壊」の「CP」は、私たちが普段言っている「CP形成」の「CP」（カップル）とは異なります。

130億年前、ビッグバンの後、宇宙は急速に膨張して冷え、多数の正負の粒子が結合して消滅しました。しかし、喧嘩中のカップルのように、粒子と反粒子の挙動は結合と消滅の過程でわずかに異なります。消滅する粒子と反粒子が 10 億個ごとに 1 つの物質粒子が残り、最終的に今日の宇宙にあるすべての物質を形成します。

科学者たちは、正粒子と反粒子の崩壊過程が異なる現象を「CP対称性の破れ」と呼んでいます。

「CP 違反」という名前は、李宗道と楊振寧に深く関係しています。彼らが提唱し、ノーベル物理学賞を受賞した「パリティ非保存の法則」は、粒子の弱い相互作用には「鏡」空間反射非対称性が存在するというものです。

これに基づいて、科学者たちは「CP対称性の破れ」という結論を下した。 「CP対称性の破れ現象は、なぜ私たちの世界には物質しか存在せず、反物質が存在しないのかを説明するのに使えます。」中国科学院高エネルギー物理研究所所長で中国科学院院士の王一芳氏は中国科学日報に語った。

宇宙の原始的な反物質はなぜ消えたのでしょうか?

ハイペリオンCPの破壊が謎を解くかもしれない

1960年代以降、海外の科学者らは中間子系におけるCP対称性の破れを相次いで発見した。しかし、物質と反物質の間の非対称性は完全には説明されていません。

「世界を構成する主な粒子の中には中間子がほとんどなく、中間子が崩壊するときに生成される余分な正物質は現在の世界を形成するのに十分ではない」と王一芳氏は語った。

稀少な中間子とは異なり、重粒子は世界を構成する主要な粒子です。 「重粒子のCP対称性の破れを発見できれば、宇宙における原始反物質の消失の謎をより深く理解できるだろう」と王一芳氏は語った。

残念ながら、科学者は重粒子の崩壊において CP 対称性の破れを検出したことがありません。「弱い崩壊信号は強い相互作用によって隠されることがある」ためです。 「したがって、重粒子のCP対称性の破れを観測したいのであれば、弱い相互作用の信号と強い相互作用の信号を区別できるほど十分に高い感度と革新的な実験方法が必要だ」と王一芳氏は述べた。

ハイペロンは、陽子に似た重粒子の一種ですが、寿命が非常に短いため、陽子のように私たちの周囲に存在することはできません。ハイペロンの中には、2 つのストレンジ クォークと 1 つのライト クォークで構成される、コルシ ハイペロンと呼ばれるメンバーがあります。ストレンジクォークが弱い崩壊を起こすと、消滅します。

ハイペロンの崩壊は、CP 対称性の破れを測定するために必要な情報の一部がハイペロンの崩壊を通じて直接測定できるため、科学者からは「CP 対称性の破れを探索するための有望な狩猟場」と見なされています。

高精度測定法を発見

2009年以来、BESIII実験では電子と陽電子の衝突の「破片」から約100億のJ/psi粒子を収集してきました。 「J/psi」と呼ばれるこの粒子は崩壊して正のコーヒハイペロンと反コーヒハイペロンを生成し、その後、正のコーヒハイペロンと反コーヒハイペロンは崩壊し続け、消滅します。

BESIII実験グループの研究者らは、100億個の粒子イベントのうち13億個を使用して、正および反コルヒハイペロンの誕生プロセスを分析し、7万個を超える正および反コルヒハイペロンのペアを再構築しました。このようにして、BESIII はクリーンかつコンパクトな Corsi ハイペロン「ファクトリー」になります。

バックグラウンド汚染率が1000分の1未満なので「クリーン」です。 「小さい」というのは、BESIII 実験におけるハイペロン生成量はそれほど多くないからです。 「偶然」なのは、BESIII 実験の感度が十分に高いためです。

「我々のハイペロン生成量は、米国フェルミ国立加速器研究所のハイパーCPと呼ばれる実験のわずか1000分の1だが、単一イベントの感度はハイパーCPイベントの1000倍だ」と、BES III実験のスポークスマンで中国科学院高エネルギー物理研究所の研究員である李海波氏は述べた。

BESIII実験グループの研究者は、データを分析する中で、ハイペロンのCP対称性の破れを高精度で測定する方法を発見した。

以前、彼らは、新たに崩壊した正のコークハイペロンと反コークハイペロンの間に「量子もつれ」という特別な現象があることを発見しました。そのため、このユニークな量子もつれ効果を利用し、それをコルチハイペロンに関する他のデータ情報と組み合わせることで、実験者は大量のデータから正コルチハイペロンと反コルチハイペロンの崩壊信号を同時に発見しただけでなく、前例のない精度で正コルチハイペロンと反コルチハイペロンの非対称性パラメータを測定しました。

「この新しい方法は、ハイペロンとその反粒子を同時に効率的に測定できないという30年にわたるジレンマを解決するとともに、より豊富なCP対称性の破れの測定結果も提供する」と李海波氏は述べた。

「この成果は国際的な注目を集めている。関係する研究者らは2021年の国際レプトン・光子会議で特別報告を行うよう招待され、この分野の新星となった」と王一芳氏は述べた。

まだ新しい物理現象は発見されていないが、今後さらにデータが分析される予定である。

残念ながら、BESIII 実験グループの測定結果では、ハイペロンの CP 対称性の破れの兆候は見られませんでした。それでも、この新しい方法の発見は国際的な匿名の査読者によって認められました。

ある匿名の査読者は「CP対称性の破れの新たな兆候は見つかっていないが、研究方法は依然として興味深い」とコメントした。別の匿名の査読者は、「この新しい方法は将来の実験への道を示し、道を切り開く」と信じている。

「この革新的な方法は、将来、標準モデルを超えたCP対称性の破れの原因を確認、あるいは排除できるという希望をもたらす」と王一芳氏は語った。

こうした希望を胸に、実験チームはさらなる測定精度の向上を目指して挑戦を続けています。 「近い将来、この測定方法を使ってハイペロンのCP対称性の破れの実験的証拠を見つけることができることを期待しています。」王一芳氏は、BESIII実験チームが100億個の粒子崩壊データを分析しており、測定精度は約3倍向上すると予想されると述べた。

現在、国内を中心に研究を行っているこの実験チームは、熾烈な国際競争に直面しています。

「欧州原子核研究機構の大型ハドロン衝突型加速器ボトムクォーク検出器（LHC-b）も、大量のハイペロンを生成しています。しかし、そのバックグラウンド汚染率は私たちのものよりも高いのです。」李海波氏は中国科学日報に対し、BESIII実験グループの測定上の優位性はBESIII実験の「完璧な検出器設計」にあると語った。

BESIII は、中国史上最古の大規模素粒子物理学科学施設である北京電子陽電子衝突型加速器の検出器です。それは、クォークがどのように物質粒子を形成するか、そして宇宙の物質と反物質の非対称性の起源という 2 つの科学的疑問に焦点を当てています。

王一芳氏は、2009年から現在までにBESIII実験で400件以上の研究成果が発表されたことを紹介した。探査機は2030年まで稼働する予定だ。

BESIII実験は我が国が独自に開発した大型高エネルギー実験装置として、17か国80の科学研究機関から約500人の研究者を集めており、現在中国で活動している最大の国際協力グループとなっている。今回発表された新たな結果は、中国の科学者と海外の協力者によって共同で完成された。