小数点以下の桁が物理学をどのように再定義できるか

研究者らは、ミュオンの磁気モーメントの最近の予測における矛盾の原因を特定した。 彼らの発見は、暗黒物質や新しい物理学の他の側面の研究に貢献する可能性があります。

磁気モーメントは、回転する粒子の固有の特性であり、粒子と磁石または磁場を有する他の物体との間の相互作用から生じます。 質量や電荷と同様、磁気モーメントは物理学の基本量の 1 つです。 電子と同じ種類の粒子であるミュオンの磁気モーメントの理論値と、粒子加速器で行われる高エネルギー実験で得られる値との間には差異があります。

この違いは小数点第 8 位までしか現れませんが、1948 年の発見以来、科学者たちはこのことに興味を持っています。これは詳細ではありません。ミューオンが暗黒物質粒子または他のヒッグス粒子と相互作用しているかどうか、あるいは未知であるかどうかさえ示す可能性があります。 。 軍隊がこの作戦に参加している。

ミュオンの磁気モーメントの不一致

文字 g で表されるミュオンの磁気モーメントの理論値は、ディラック方程式によって与えられます。ディラック方程式は、量子力学と量子電気力学の創設者の 1 人であり、1933 年のノーベル賞受賞者である英国の物理学者パウロ ディラック (1902 ～ 1984) によって定式化されました。ただし、実験では g が正確に 2 ではないことが示されており、「g-2」、つまり実験値とディラック方程式によって予測される値の差を理解することに大きな関心が寄せられています。 米国のフェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ）で驚くべき精度で得られ、2023年8月に発表された現在入手可能な最良の実験値は2.00116592059で、不確かさの範囲はプラスマイナス0.00000000022である。

「ミューオンの磁気モーメントを正確に決定することは、素粒子物理学の主要な問題となっています。実験データと理論的予測の間のこのギャップを調査することで、驚くべき新しい効果の発見につながる情報が得られるからです」と、物理学者のディオゴ・ボイト教授は述べた。サンカルロス大学物理研究所、サンパウロ (IFSC-USP) から FAPESP へ。

Boito と彼の共同研究者によるこのトピックに関する記事が雑誌に掲載されました。 物理的なレビューレター。

研究から得られた新たな洞察

「私たちの成果は、2つの重要な国際イベントで発表されました。最初はスペインのマドリッドでのワークショップで私が発表し、次にスイスのベルンでの会議でサンフランシスコ州立大学の同僚のマーティン・ゴルターマンが発表しました」とボイト氏は語った。

これらの結果は、ミューオン g-2 の現在の予測を行うために使用された 2 つの方法間の不一致の原因を特定し、示しています。 「現在、g-2 の基本成分を決定するには 2 つの方法があります。1 つ目は実験データに基づくもので、2 つ目はクォーク間の強い相互作用を研究する理論である量子色力学 (QCD) のコンピューター シミュレーションに基づくものです。これら 2 つの方法同氏は、この問題が解決されるまでは、例えば g-2 における新ヒッグス粒子や暗黒物質などのエキゾチック粒子の可能性の寄与を調査することはできないと説明した。

この研究はこの矛盾をうまく説明していますが、それを理解するには、数歩下がって、ミュオンのもう少し詳細な説明からやり直す必要があります。

フェルミ研究所のミュオン蓄積リング。 クレジット: Reidar Hahn、フェルミ研究所

ミューオンは、電子と同様にレプトンのクラスに属する粒子ですが、質量ははるかに大きくなります。 このため、それは不安定であり、高エネルギー環境では非常に短時間しか生存しません。 磁場の存在下でミュー粒子が相互作用すると、ミュー粒子は崩壊し、電子、陽電子、W 粒子、Z 粒子、ヒッグス粒子、光子などの他の粒子の雲として再集合します。 したがって、実験では、ミューオンには常に他の多くの仮想粒子が伴います。 これらの寄与により、実験で測定された実際の磁気モーメントは、ディラック方程式によって計算された理論上の磁気モーメント (2 に等しい) よりも大きくなります。

「違いとしては [g-2]、QCD によって予測されたこれらすべての寄与を考慮する必要があります。 [in the Standard Model of particle physics] 他のものはサイズが小さいですが、高精度の実験測定で現れます。 「私たちはこれらの貢献の多くをよく知っていますが、そのすべてを知っているわけではありません」とボイト氏は語った。

QCD の強い相互作用効果は、一部のエネルギー システムでは実用的ではないため、理論だけでは計算できません。そのため、2 つの可能性があります。 1 つは以前から使用されているもので、電子陽電子衝突から得られる実験データを利用し、クォークで構成される他の粒子を生成します。 もう 1 つは格子 QCD です。これはここ 10 年で競争力が高まったばかりで、スーパーコンピューターで理論的プロセスをシミュレーションする必要があります。

「現時点でミュオン g-2 を予測する際の主な問題は、電子陽電子衝突のデータを使用して得られた結果が実験全体の結果と一致しないのに対し、格子 QCD に基づく結果は一致するということです。一致しませんでした」とボーイト氏は述べた。 「その理由は誰にもわかりませんが、私たちの研究はこの謎の一部を説明します。」

彼と彼の同僚は、特にこの問題を解決するために研究を実施しました。 「この記事は、格子 QCD シミュレーションの結果と実験データに基づく結果を比較するための新しい方法を開発した多くの研究の結果を報告しています。」格子へのデータ – いわゆる連続体ファインマン図の貢献です」と彼は言いました。

アメリカの理論物理学者リチャード・ファインマン（1918～1988）は、量子電気力学と素粒子物理学の基礎的研究により、1965年に（ジュリアン・シュウィンガー、朝永振一郎とともに）ノーベル物理学賞を受賞した。 1948 年に作成されたファインマン線図は、これらの粒子の相互作用を説明する数式をグラフィカルに表現したもので、関連する計算を簡素化するために使用されます。

「この研究では、いわゆる『平均エネルギー窓』における連続ファインマン線図の寄与を初めて高い精度で取得しました。今日、格子 QCD シミュレーションによって得られたこれらの寄与について 8 つの結果が得られました。それらはすべてさらに、電子陽電子相互作用データに基づく結果は、これら 8 つのシミュレーション結果と一致しないことも示しました。

これにより、研究者は問題の原因を特定し、考えられる解決策を考えることができました。 「2パイオンチャネルの実験データが何らかの理由で過小評価されていた場合、それが矛盾の原因となる可能性があることが明らかになった」と同氏は述べた。 パイオンは中間子であり、高エネルギー衝突で生成されるクォークと反クォークで構成される粒子です。

実際、新しいデータ (まだ査読中) は、 CMD-3の経験 ロシアのノボシビルスク州立大学で実施されたこの研究は、最古のバイナリ チャネル データが何らかの理由で過小評価されていた可能性があることを示しているようです。

参考文献：「ミュオンへの平均窓寄与分の軽クォーク関連成分のデータ駆動型決定」 g−2「ジェネッサ・ベントン、ディオゴ・ボーイト、マーティン・ゴルターマン、アレクサンダー・ケシャヴァルジ、キム・モルトマン、サンティアゴ・ピレス著、2023年12月21日、 物理的なレビューレター。
土井: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Boito 氏の研究への参加は、彼のプロジェクト「標準モデルのテスト: 高精度 QCD とミューオン g-2」の一環であり、このプロジェクトに対して FAPESP が第 II 相若手研究者助成金を彼に授与しました。