「あなたはそれを速くすることができます、あなたはそれを安くすることができます、あるいはあなたはそれを正しくすることができます。私たちはそれを正しくしました。」これらは、フェルミラボの衝突型加速器のリーダーであるデビッド・トバックが、Wボソンと呼ばれる粒子の質量を測定するための10年にわたる実験の結果を発表したときの冒頭の発言の一部でした。
私は高エネルギー素粒子物理学者であり、イリノイ州のフェルミラボでコライダー検出器を構築して実行した数百人の科学者のチームの一員です。これはCDFとして知られています。
何兆回もの衝突と何年にもわたるデータ収集と数の計算の後、CDFチームは、Wボソンの質量が予想よりもわずかに多いことを発見しました。差異はわずかですが、2022年4月7日にジャーナルScienceに掲載された論文に記載されている結果は、素粒子物理学の世界を刺激しました。測定が正しければ、宇宙の仕組みの物理パズルに欠けている部分があることを示すもう1つの強力なシグナルです。
弱い力を運ぶ粒子
素粒子物理学の標準モデルは、宇宙の基本法則に対する科学の現在の最良のフレームワークであり、電磁力、弱い力、強い力の3つの基本的な力を記述しています。
強い力が原子核をまとめます。しかし、一部の原子核は不安定で放射性崩壊を起こし、粒子を放出することでゆっくりとエネルギーを放出します。このプロセスは弱い力によって駆動され、1900年代初頭以来、物理学者は原子が崩壊する理由と方法についての説明を求めました。
標準模型によれば、力は粒子によって伝達されます。1960年代に、一連の理論的および実験的なブレークスルーにより、弱い力がWボソンおよびZボソンと呼ばれる粒子によって伝達されることが提案されました。また、3番目の粒子であるヒッグスボソンが、WボソンとZボソンを含む他のすべての粒子に質量を与えるものであると仮定しました。
1960年代に標準模型が登場して以来、科学者たちは予測されているが未発見の粒子のリストをたどり、その特性を測定してきました。1983年、スイスのジュネーブにあるCERNでの2つの実験で、Wボソンの存在の最初の証拠が得られました。臭素など中程度の大きさの原子の質量を持っているように見えました。
2000年代までに、標準モデルを完成させ、すべてを結び付けるために欠けていたのは、ヒッグス粒子だけでした。私は3回の連続実験でヒッグス粒子の探索を手伝い、ついに2012年にCERNの大型ハドロン衝突型加速器で発見しました。
標準モデルが完成し、私たちが行ったすべての測定は、予測と見事に結びついていました。
Wボソンの測定
標準模型のテストは楽しいです。非常に高いエネルギーで粒子を粉砕するだけです。これらの衝突により、一時的に重い粒子が生成され、その後、崩壊して軽い粒子に戻ります。物理学者は、フェルミ研究所やCERNのような場所で巨大で非常に感度の高い検出器を使用して、これらの衝突で生成された粒子の特性と相互作用を測定します。
CDFでは、陽子と反陽子が衝突すると、1000万回に1回の割合でWボソンが生成されます。反陽子は陽子の反物質バージョンであり、質量はまったく同じですが電荷が反対です。陽子はクォークと呼ばれる小さな素粒子でできており、反陽子は反クォークでできています。Wボソンを生成するのはクォークと反クォークの衝突です。Wボソンは非常に速く崩壊するため、直接測定することは不可能です。したがって、物理学者は崩壊から生成されたエネルギーを追跡して、Wボソンの質量を測定します。
科学者が最初にWボソンの証拠を検出してから40年の間に、連続した実験により、その質量のより正確な測定が達成されました。しかし、ヒッグス粒子の測定（他のすべての粒子に質量を与えるため）以来、研究者は標準模型によって予測された質量に対してWボソンの測定された質量をチェックすることができました。予測と実験は常に一致していました—今まで。
意外と重い
フェルミラボのCDF検出器は、Wボソンを正確に測定するのに優れています。2001年から2011年にかけて、加速器は陽子と反陽子を何兆回も衝突させ、数百万のWボソンを生成し、各衝突から可能な限り多くのデータを記録しました。
Fermilabチームは、2012年にデータの一部を使用して初期結果を公開しました。質量はわずかにずれていることがわかりましたが、予測に近いものでした。その後、チームは10年を費やして、完全なデータセットを入念に分析しました。このプロセスには、多数の内部クロスチェックと何年にもわたるコンピューターシミュレーションが含まれていました。バイアスが分析に忍び寄るのを避けるために、完全な計算が完了するまで、誰も結果を見ることができませんでした。
物理学の世界がついに2022年4月7日の結果を見たとき、私たちは皆驚いた。物理学者は、数百万電子ボルトの単位で素粒子の質量を測定します—MeVに短縮されます。Wボソンの質量は80,433MeVであり、標準模型が予測するよりも70MeV高い。これはごくわずかに過剰に見えるかもしれませんが、測定値は9MeV以内の精度です。これは、許容誤差のほぼ8倍の偏差です。同僚と私がその結果を見たとき、私たちの反応は「すごい！」と響き渡りました。
これが標準モデルにとって何を意味するか
Wボソンの測定された質量が標準模型内の予測された質量と一致しないという事実は、3つのことを意味する可能性があります。計算が間違っているか、測定が間違っているか、標準モデルに何かが欠けています。
まず、数学。Wボソンの質量を計算するために、物理学者はヒッグス粒子の質量を使用します。CERN実験により、物理学者はヒッグス粒子の質量を1/4パーセント以内で測定することができました。さらに、理論物理学者は何十年にもわたってWボソンの質量計算に取り組んできました。数学は洗練されていますが、予測はしっかりしていて、変わる可能性はありません。
次の可能性は、実験または分析の欠陥です。世界中の物理学者はすでに結果をレビューして、それに穴をあけようとしています。さらに、CERNでの将来の実験は、最終的に、フェルミ研究所の質量を確認または反駁する、より正確な結果を達成する可能性があります。しかし、私の意見では、実験は現在可能な限り優れた測定値です。
それは最後の選択肢を残します：Wボソンの質量の上方シフトを引き起こす原因不明の粒子または力があります。この測定の前でさえ、一部の理論家は、観測された偏差をもたらす可能性のある新しい粒子または力を提案していました。今後数ヶ月、数年のうちに、ウィークボソンの不可解な質量を説明しようとする多くの新しい論文が期待されます。
素粒子物理学者として、私は標準模型を超える物理が発見されるのを待っているはずだと自信を持って言っています。この新しい結果が維持されれば、標準モデルと実際の測定値が完全に一致しないことが多いことを示す一連の調査結果の最新のものになります。物理学者に物質、エネルギー、空間、時間のより完全な理解を探し続けるための新しい手がかりと新しい理由を与えるのはこれらの謎です。
ジョン・コンウェイは実験的な高エネルギー素粒子物理学者であり、現在2つの大規模な実験に従事しています。イリノイ州バタビアのフェルミラブテバトロンでのCDFと、スイスのジュネーブにあるCERNの大型ハドロン衝突型加速器でのCMSです。彼は、米国エネルギー省と米国国立科学財団から資金提供を受けています。
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