素粒子物理学の建物は本当に崩壊しようとしているのでしょうか?サイエンス誌がここ数十年の物理学における最大の進歩を明らかにする

2022年4月7日、サイエンス誌の表紙記事で物理学界に衝撃を与える大きなニュースが報じられました。約400人の科学者が共同執筆したこの論文では、Wボソンの質量について前例のない高精度測定を行い、測定値が素粒子物理学の標準モデルの予測値よりも約0.1％重いことを発見したと指摘されている。この違いは非常に小さいように見えるかもしれませんが、素粒子物理学のシステムにおけるその重要性は極めて大きいです。この測定値が確認されれば、物理学の新しい時代の到来を意味し、物質世界に対する人間の認識の限界に革命的な突破口が開かれることになるかもしれない。

（出典：サイエンスの公式サイトのスクリーンショット）

素粒子物理学の研究成果のほとんどは、私たちのような一般人には理解できないものです。これまでの最大の成果の一つは、素粒子物理学の標準モデルの確立です。では、この標準モデルは正確には何を言っているのでしょうか?現実生活の概念を使ってそれを理解しようとすることは可能でしょうか?この「ビッグニュース」を素粒子物理学の標準モデルの観点からどのように理解すればよいのでしょうか?

まず第一に、標準モデルは人類史上、唯一の物理理論ではないにしても、最も複雑で最も理解しにくい物理理論であることを認めなければなりません。たとえWikipediaや百度百科事典の記述であっても、一般の人には一言も理解できないかもしれません。誰もが「持ち帰ることができる」知識を得るために、私たちは素粒子物理学と基本モデルについて、できるだけ説明的かつ視覚的に話すことしかできません。

素粒子物理学はどのような問題を解決したいのでしょうか?

素粒子物理学は、物質を構成する素粒子とそれらがどのように相互作用するかを研究します。多くの種類の放射線（電子線、ニュートリノ線など）は、肉眼では見えなくても、他の有形または無形の物質にさまざまな影響を及ぼし、相互作用する可能性があります。実は、それらは広い意味で物質の範疇に属しており、素粒子物理学の研究範囲内にもあります。

多くの素粒子は自然界では安定して存在したり単独で現れたりできないため、物理学者は高エネルギー粒子加速器を使用して素粒子を互いに衝突させ、観測フィールドに出現させて研究するしかありません。そのため、素粒子物理学は高エネルギー物理学とも呼ばれます。そこで疑問なのは、実行に莫大な費用がかかる素粒子物理学の研究から、科学者たちはどんな答えを見つけたいと考えているのか、ということです。

テラエレクトロンボルト加速器（左）と大型ハドロン衝突型加速器（右）

（出典：Wikipedia「粒子加速器」）

素粒子物理学が答えたい主な疑問は 2 つあります。 1 つ目は物質が何からできているか、2 つ目は物質が互いにどのように相互作用するかです。ここでの物質には、宇宙の星から原子内部までの広大な物質世界が含まれ、作用の形態には、強い力、弱い力、電磁力、重力という 4 つの基本的な力も含まれます。

言い換えれば、素粒子物理学は、物理世界に関する一連の最も基本的な疑問に対する答えを見つけることに専念しています。それは、日常生活との融合点をすぐに見つけて、すぐに人類に利益をもたらすことができる多くの応用科学とは異なるかもしれません。しかし、素粒子物理学は、客観的な世界を理解する上での人間の視覚の限界を決定し、実際には、人間の技術レベルが到達できる上限も決定します。たとえ「役に立たない」ように見えても、まずルールを理解しなければ、それを利用することはできません。外国語を学ぶのと同じように、今まで一度も聞いたことのない単語を話すことは決してできません。探索と理解は応用の前提条件です。

素粒子物理学の標準モデルとは何ですか?

物理学者たちの100年以上にわたる努力の結果、人類の理解は原子核の奥深くまで到達し、原子核を構成する陽子と中性子をより基本的な粒子に分解することさえできました。さらに、人間は、4 つの基本的な力の作用モードが、実際にはこれらの効果を伝達する特定の媒体粒子に関連していることを発見しました。たとえば、電磁力は光子と密接な関係があります。これは、直接接触していない二人が小さなボールを投げ合うことで、お互いの力強さを感じるようなものです。

最終的に、科学者たちは物質を構成する粒子を細分化し、力と力の伝達を担うさまざまな粒子を探すことで、素粒子で構成された巨大なファミリーを獲得しました。このファミリーの系図は、素粒子物理学の標準モデルと呼ばれています。

標準モデルの基本粒子は、物質を構成するクォークとレプトン、および相互作用を伝達するメディエーターの 2 つの主要なタイプに分けられます。これらの素粒子は、質量、電荷、スピン、フレーバー、色などの独自の特性も持っており、同じ種類の素粒子が複数の種類に細分化されることもあります。たとえば、クォークには 6 つのフレーバーがあり、各フレーバーのクォークは 3 つの色に分かれており、プラスとマイナスを加えると、合計 36 個のクォークが存在します。最終的に、現在の標準モデルには 61 個の基本粒子が含まれています。

素粒子物理学の標準モデル

(出典: Wikipedia「標準モデル」)

標準モデルは物理学に対するあなたの印象とは全く違うものであることをきっと感じるでしょう。あなたの印象における物理学はシンプルでエレガントですが、標準モデルには「新しい言葉のために無理やり悲しみをこじらせた」という感じがあります。実際、多くの科学者も当初はそのような混乱を抱いていました。標準モデルの構築が素粒子のための家を建てることだとすれば、科学者たちの当初の計画は実際にはパオを建てることだった。その後、彼らは中庭のある家を建てなければならないことに気づきました。その後、部屋数が足りないことがわかり、小さなアパートを建てざるを得なくなりました。結局、彼らは知らないうちに超高層ビルを建ててしまったのです。

しかし、最も驚くべきことは、標準モデルを確立する過程は試行錯誤の過程であったにもかかわらず、これまでに電磁力、強い力、弱い力が完全に統一され、それによって予測された多くの新しい粒子もその後発見されたことです。このプロセスを説明するために、建物の建設を例えとして使うことができます。当初は、建物をどのように建てるか誰も知らず、建てていくうちに考えがまとまりました。ここにもう一階追加すべきだと言う人もいれば、ここに部屋をいくつか残しておいた方がいいと言う人もいます。予想外にも、結局、部屋はちょうどよく、ゲストも満足しました。

2012年にヒッグス粒子が発見されるまで、現在の素粒子物理学の標準モデルの61部屋すべてが占有されていました。この建物の建設過程では多くの科学者が重要な役割を果たし、直接関係したノーベル賞受賞者も数十人います。彼らは、実験で初めて重いフレーバークォークであるチャームクォークcを発見した丁昭中のように、「ゲスト」を探す過程で顕著な貢献をしたか、あるいは、ヒッグス機構を構築してヒッグス粒子を理論的に予測したヒッグスのように、「建物の設計図」について合理的な意見や提案をした人もいます。

「西遊記」を使って標準モデルを比較するにはどうすればいいでしょうか?

まだ標準モデルを理解できない場合は、「西遊記」を例に説明しましょう。 『西遊記』の世界では、龍王と地神が山、川、海を司り、鬼や怪物がそれぞれの場所に災いをもたらし、天上の神々はのんびりと過ごし、仏陀は西方にいてすべての生き物を救い、地獄の王は地下で密かに苦労して生死の書を記録しています。

何が彼らを結びつけるのかを知りたいなら、それは西への旅における 4 人の人々と 1 頭の馬です。標準モデルが「西遊記」である場合、その中の各力には複数のメンバーが含まれます。たとえば、さまざまなクォークは、小ダイヤモンド風、白骨悪魔、玉面狐のようなものであり、総称して悪魔やモンスターとして知られています。 4人組の巡礼者たちは天界と冥界と交信することができるので、ホリネズミの役割を果たします。

「ビッグニュース」とは一体何でしょうか？

標準モデルについて大まかな理解ができたので、物理学の世界に「衝撃」を与えた主要な発見を見てみましょう。

W ボソンは標準モデルの中で非常に中心的な位置を占めており、1983 年に観測されて以来、科学者たちは可能な限り最高の精度でその質量を決定しようと努めてきました。実際、これまでの実験結果はすべて、標準モデルの予測と非常に一致する W ボソンの質量を示しており、これは標準モデルの正しさを示す決定的な証拠の 1 つでもあります。

しかし、最新の測定では、Wボソンの質量は80433.5±9 MeV（下図右下のCDFⅡ）であるのに対し、標準モデルのこれまでの予測値は80357 MeV（図中の灰色の列）でした。興味深いことに、この測定データは、2012 年に同じ衝突型加速器で得られた結論 (下図の青い CDF2012) を覆し、別の測定 (下図の上の CDF I) の精度も大幅に向上しました。極めて高い精度と、達成された有意な統計的差異により、この測定結果は過去 30 年間における素粒子物理学における最大の発見であると言えます。それで、科学者はどのような測定方法を使用したのでしょうか、そしてそれは信頼できるのでしょうか?

さまざまな加速器の実験データによって測定されたWボソンの質量

（出典：サイエンスマガジン）

Wボソンの質量を決定するのは簡単なことではない

W ボソンは高エネルギー衝突で生成され、その後急速に崩壊します。崩壊の過程で、電子、ミューオン、または反ニュートリノが生成されることがあります。ニュートリノは現在使用されている検出器では反応を引き起こせないため、生成されるニュートリノの実際の量を知ることは不可能と思われます。

通常、素粒子の質量は崩壊生成物のエネルギーと運動量を測定することで決定できますが、Wボソンによって生成されるニュートリノ生成物を直接測定することは不可能であるため、上記の古典的な方法は適用できません。

そこで科学者たちは妥協案を取った。彼らは、単一の衝突イベントで生成された個々の粒子を測定するのではなく、衝突イベント全体の全体的な結果を測定しました。つまり、全体として、失われたエネルギーと運動量はニュートリノに起因するはずであり、これに基づいて W ボソンの質量を推測することができます。

しかし、衝突イベント全体を測定する場合には、特定の困難も生じます。粒子検出器では、非常に小さな運動量の変化を測定できないからです。しかし、科学者たちは妥協案を持っています。衝突後の粒子の運動量分布に基づいて、運動量を測定できない粒子の割合を計算し、それに応じて運動量測定結果を修正することができます。

W ボソンの質量を正確に測定することは容易な作業ではないことがわかります。この結論を最終的に公表するまでに、400 人近くの科学者が 10 年を要しました。特に、実験の結論は既存の理論に強い影響を与えることが確実であることを考慮して、この論文は繰り返し検証された後にのみ発表されました。

論文の著者リストは1ページを占める

（出典：サイエンスマガジン）

標準モデルの構築は本当に崩壊するのでしょうか?

このプロジェクトに携わった研究者の一人は、「我々が使用した方法は間違いなく正しいが、これほど大きな違いがあるということは、本来の標準モデルではカバーされていない何か新しいものが自然界に存在するということに他ならない」と語った。では、家を建てるという例えを使って、彼の言葉をどのように理解すればよいのでしょうか。

まず第一に、標準モデルは完璧ではないことを認めなければなりません。重力の性質、宇宙の暗黒物質や暗黒エネルギーの謎など、まだ答えが出ていない疑問が数多く残っています。これは、標準モデルの建物はまだ拡張する必要があること、そして入居すべき住民の中には家を失ったり、建物の外に閉じ込められたり、自分の部屋を見つけることができない人がいることを示しています。

物理学体系における素粒子物理学の標準モデルの位置

（出典：Wikipedia「万物の理論」）

第二に、以前の標準モデルの範囲内では、それが十分に自己整合的であると我々は依然として信じています。前述のように、建物の建設には数十年かかりましたが、最終的な結果は完璧です。 「61人の住人」から見ても、「建物の構造」自体から見ても、見た目がちょうどよく、住人同士も仲良く暮らしています。

しかし、今回の新たな発見は、ある「住民」の登録情報が実際の状況と一致していない可能性があることを思い起こさせる。部屋のデザインに問題があるのか​​、それとも「謎の新住人」が存在するのかはまだ分からない。もちろん、実験結果自体に何か問題がある可能性も否定できません。現在の優先事項は、他の加速器から得られたデータを使用して独立した検証を行うことです。

この実験の結論の正しさが証明されれば、Zボソンの質量、ワインベルグ角、トップクォークの質量、ヒッグス粒子の質量など、標準モデル理論による同様の予測は、さらに高精度な検証が必要になるだろう。測定データと標準モデルの理論的予測との間に実際に一般的な偏差がある場合、既存の標準モデルを修正する必要があるかもしれません。

この意味で、この成果は過去20〜30年にわたって素粒子物理学の分野で行われた多数の実験によるものであり、無数の科学研究者の研究の集大成とみなすことができます。理論物理学者たちが過去数十年にわたって待ち望んできた「新しい物理学」が、実際に人類の視野に入ってきているのかもしれない。

(出典: Freepik.com)

参考文献:

標準モデルに挑戦？最新のWボソン質量測定値は理論値より7標準偏差高い

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

CDF II検出器によるWボソン質量の高精度測定

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

Wボソンの品質は...

https://www.163.com/dy/article/H4GVDGNA05327918.html

フェルミ国立加速器研究所のWボソン質量実験は理論と矛盾し、サイエンス誌の表紙を飾る

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1729525697847274262&wfr=spider&for=pc

この記事は、中国科学普及フロンティアテクノロジー科学普及部が作成し、張昊氏がプロデュースし、中国科学普及博覧会が監修したものです。 「中国科学普及」は、中国科学技術協会と社会各界が情報技術を利用して科学コミュニケーションを行う権威ある科学ブランドです。