素粒子の予想外の重さは物理学者を気絶させる

素粒子物理学では、データはそれを生成する検出器よりも長持ちします。 10年前、フェルミラボ（CDF）の4,100メートルトンの衝突型加速器は寿命に達し、他の実験で使用するために部品を取り除いてシャットダウンされました。 現在、古いCDFデータの新たな分析により、素粒子であるWボソンの質量に驚くべき不一致が見つかりました。これは、まだ発見されていない新しい粒子と相互作用への道を示す可能性があります。

Wボソンは巨大で、陽子の約80倍の重さです。 重要なことに、Wボソンは特定の形態の放射性崩壊の原因であり、中性子が陽子に変換されることを可能にします。 その質量は、標準模型内の他の多くの粒子とパラメーター（素粒子物理学者の素粒子の理論とそれらの振る舞い）によって制約される（そしてそれ自体が制約する）ため、Wボソンはどこでどのように最良であるかを理解しようとする研究者のターゲットになりました理論は失敗します。

物理学者はWボソンのおおよその質量を長い間知っていましたが、それでも正確にはわかりません。 ただし、データを標準モデルフレームワークに接続すると、いわゆるW質量は80,357メガ電子ボルト（MeV）プラスマイナス6MeVになると予測されます。 （1 MeVは、単一の電子に含まれる質量エネルギーの約半分です。）しかし、木曜日に公開された新しい分析では、 化学、CDF共同研究の物理学者は、代わりにWボソンの質量が80,433.5±9.4MeVであることを発見しました。 以前のすべての測定値を組み合わせたものよりも正確な新しい測定値は、標準モデルの予測よりも77MeV近く高くなっています。 これらの数値の違いは1,000分の1程度ですが、それぞれの不確実性は非常に小さいため、この小さな相違でさえ統計的に非常に重要です。偶然によって生み出された幻想である可能性は非常に低いです。 よく研究されたWボソンは、まだ、素粒子の世界の働きについて、あるいは少なくとも私たちがそれをどのように調査するかについて、たくさんの秘密を持っているようです。 驚いたことに、素粒子物理学者はその影響に取り組み始めたばかりです。

「誰もこの不一致を待っていませんでした」と、ジュネーブ近郊のCERNの実験物理学者であるMartijn Muldersは言います。彼は新しい研究には関与していませんが、付随する解説を共同執筆しました。 化学。 「それは非常に予想外です。 素粒子物理学の構造全体を実際にサポートしている脚の1つが突然切断されたため、ほとんど裏切られたと感じます。」

クォークを探す

これは、1990年に物理学者が トップクォークの質量を妥当な精度で予測する その粒子が最初に観測される5年前。 次に、Wボソンの質量とトップクォークの質量を使用して、研究者は ヒッグス粒子の同様の予測— 2012年に見事に退屈しました。最近では、そのような測定を行う物理学者は、標準模型のコアコンピタンスの改良に重点を置くのではなく、その失敗の調査に重点を置いています。たとえば、重力、暗黒物質、ニュートリノの質量などは組み込まれていません。他の厄介な現象の。 物理学者によると、標準模型が壊れたり、観測から逸脱したりする場所を突くのは、宇宙の追加の、おそらくより基本的な構成要素を見つけるための包括的な用語である「新しい物理学」を検索するための最良の方法の1つです。 CDFの結果が出るまで、標準模型の最も有望な不一致のいくつかには、フェルミラボでのミューオンg-2実験で調査された異常と、CERNでのLHCb（大型ハドロン衝突型加速器）実験の結果が含まれていました。

小さな異常は10セント硬貨であり、大部分は、典型的な素粒子物理学実験によって生成および記録された本当に膨大な数の素粒子イベントから生じる統計的変動です。 このような場合、さらに大量のデータが収集されると、これらの異常は消えていきます。 ただし、この最新の異常は、Wボソンの質量に関する既存の高品質の情報がすでに多数存在し、粒子の質量の理論的予測の不確実性が非常に低いため、より有望に見えます。 そして、おそらく最も重要なのは、CDFの衝突が非常に慎重に行われていることです。 実験は、人間の偏見のリスクを最小限に抑えるために「ブラインド」されました。つまり、データを分析する物理学者は、作業が完了するまでその結果について暗闇にさらされていました。 2020年11月にCDFのW質量の測定値がチームメンバーに明らかにされたとき、「それは唖然とした沈黙の瞬間でした」と、研究の対応する著者であるAshutoshKotwalは述べています。 「その非盲検数が意味することの実現—もちろん、それは純金です。」

それ以来、結果はさらに複数回のピアレビューを経てきましたが、それは物理学者が宿題をしたことを保証するだけであり、新しい物理学を発見したことを保証するものではありません。

データのマイニング

Wボソンの質量を測定するには、最初に粒子衝突型加速器を構築する必要があります。 1983年から2011年まで走ったテバトロンは3.9マイル（6.3キロメートル）のループで、陽子は最大約2テラ電子ボルト（TeV）で反陽子に衝突しました。これはWボソンの約25倍の質量です。 に沿って配置されたCDF実験 ループは、2002年からテバトロンがシャットダウンするまでのこれらの衝突でWボソンの兆候を探しました。

しかし、Wボソンを単純に観測することはできません。 それは他の粒子に崩壊するのが速すぎて、どの検出器にも登録できません。 代わりに、物理学者はそれらの崩壊生成物、主に電子とミューオンを研究することによってその存在と特性を推測しなければなりません。 注意深く数えると、CDFチームは、実験のデータからWボソンの崩壊に起因する約400万のイベントを発見しました。 これらのイベントの電子とミューオンによってCDF検出器に蓄積されたエネルギーを測定することにより、物理学者は後方に働き、Wボソンが元々持っていたエネルギー（または質量）を計算しました。

コトワル氏によると、データには多くの不確実性があるため、この作業には10年かかりました。 前例のないレベルの精度（ATLASコラボレーションによって行われたWボソン質量の以前の最高の単一実験測定の2倍の精度）に到達するために、CDFチームはデータセットを4倍にし、新しい手法も使用しました。 これらには、陽子と反陽子の衝突のモデル化と、廃止された検出器の動作上の癖の新しい、より徹底的な調査の実施が含まれます。古い宇宙線データを使用して、そのレイアウトをミクロンにマッピングすることもできます。

これは、研究者の異常な結果を統計的有意性の驚くべき高さまで高めるのに十分でした。統計の用語では、ほぼ7シグマです。 7シグマは、新しい物理学がWボソンに影響を与えなかった場合でも、実験が実行された8000億回に1回の純粋な偶然から、少なくとも観察されたものと同じ大きさの不一致が生じることを意味します。 素粒子物理学の世界でさえ、天文学的な数が標準であるため、これはほとんどやり過ぎのように見えます。統計的有意性のフィールドの「ゴールドスタンダード」しきい値はわずか5シグマです。これは、350万回の実行ごとに偶然に現れる特定の効果に対応します。 。 重要なのは、CDFチームの新しい測定値の7シグマ値が いいえ つまり、結果は99.999999999パーセントの確率で新しい物理学になります。 W質量の他の測定値が間違っているという意味でもありません。 むしろ7シグマの結果は、CDFコラボレーションが見ているものが偶然ではないことを意味します。 これは、結論ではなく、さらなる調査への呼びかけです。

探偵の仕事

異常の原因を特定するには、他の実験からの裏付けが必要です。 「これは非常に素晴らしい結果です」と、新しい研究に関与していなかったATLASの物理コーディネーターであるギヨームウナルは言います。 「これは非常に複雑でやりがいのある測定であり、標準モデルを正確にプローブすることも非常に重要です。」 ATLASは現在、W質量の測定の改善に取り組んでおり、Unalは、2018年に終了したLHCの2回目の実行からのデータを使用することで、CDFの精度に近づくことができる可能性があると述べています。

その間、理論家はこの新しい結果に飛びつき、無数の可能な説明を生み出します。 LHCは超対称性（SUSY）の多くの順列を除外しましたが、素粒子には「超粒子」パートナーがあると仮定する一連の理論が原因の1つである可能性があります。 Wボソンの質量をシフトする 比較的軽い超対称粒子のコホートはこれまでにないほどわずかです。

“もちろん、 [the LHC constraints] ますます厳しくなっています」と、CDFコラボレーションの一部ではないポーランド科学アカデミーのニコラウスコペルニクス天文センターの理論物理学者であるManimalaChakrabortiは述べています。 「それでも、SUSYで許可されているパラメーター空間の領域を見つけることができます。」

新しい衝突型加速器が提案されており、LHCが大規模なオーバーホールの後に衝突の別のキャンペーンを開始する準備をしているとき、検出器が共食いされた長年の実験からの7シグママグニチュードの異常の発表は奇妙に見えるかもしれません。

しかし、コラボレーションは、実験の実行の成果を評価および改善するために引き続き会合を持ちます。 「探偵の仕事自体が私たちを動かし続けているのです」とコトワルは言います。 「手がかりはすべてそこにあります….それはシャーロックホームズのようなものです。 その人は去ったかもしれませんが、足跡はまだそこにあります。」