この素粒子の驚くべき重さは重大な結果をもたらす

太陽、原子力発電所、炭素年代測定はすべて、原子核の粒子間の相互作用からその能力を引き出します。これらは、部分的には、W ボソンと呼ばれる亜原子粒子の働きによるものです。W ボソンは、弱い核力、つまり放射性崩壊を引き起こす宇宙の基本的な力の目に見えない担い手です。

これはまた、素粒子物理学における最新の謎の主題でもある。4月7日にサイエンス誌に発表された、Wボソンの質量に関する最新かつ最も正確で、最も情報に基づいた測定結果により、この粒子は予想よりも重いことが明らかになった。

これは簡単には説明できない偏差だ。もしこの測定結果が確認されれば（これは非常に大きな仮定だが）、素粒子物理学が長年にわたり最小スケールで宇宙について解明してきた標準モデルが未完成であることを示す、これまでで最も強力な証拠となる可能性がある。

「自然界には、この特定の量に影響を及ぼすもう一つの粒子も隠れているのだろうか？」と、デューク大学の素粒子物理学者で、論文を発表した共同研究チームのメンバーであるアシュトシュ・コトワル氏は言う。

Wボソンは新しく発見された粒子ではない。CERNの科学者らは1980年代初めにそれを発見し、理論家らは10年以上前にその存在を予測していた。その質量を解明することは当初からの目標だった。

「この測定には長い歴史があり、精度もどんどん向上しています。なぜなら、これは常に非常に重要な測定であると認識されてきたからです」と、論文の著者ではないカリフォルニア大学サンタバーバラ校の素粒子物理学者クラウディオ・カンパニャーリ氏は言う。

実際、最新のサイエンス論文は10年以上前の実験の成果である。論文の共著者である無数の共同研究者は全員、テバトロンのデータを使って作業した。テバトロンはシカゴ郊外のフェルミ国立加速器研究所に設置された粒子加速器で、最後の衝突は2011年に起きた。

フェルミ国立加速器研究所のリングの周りを粒子が渦巻き、互いに衝突すると、Wボソンを含む高エネルギーのきらめく粒子の紙吹雪が噴出する。衝突が増えるにつれ、科学者がWボソンの質量を解明するために調べるデータも増える。

「私たちが自らに課した課題は、事実を測定することでした。そして、その事実に到達するための私たちの最善の努力がここにあります」とコトワル氏は言う。

これらの粒子は光速に非常に近い速度で加速器の周りをらせん状に回転し、ほぼ瞬時に互いに衝突する。一方、衝突の分析には何年もかかる。フェルミ国立加速器研究所のグループは、2006年と2012年に、それぞれ4年と5年かけて、以前のデータの整理を行ったことがある。

それは、Wボソンの質量を測定することは、加速器内の磁場の変化から衝突を捉えた検出器の角度まで、あらゆる種類の微細な妨害要因を考慮しなければならない、繊細で非常に敏感なプロセスだからである。

「小さなミスが大きな影響を及ぼす可能性があるため、非常に慎重に行う必要があります。私が知る限り、著者らは非常に慎重に作業を進めており、だからこそ長年取り組んできたのです」と、論文の著者ではないスイスの欧州原子核研究機構（CERN）の素粒子物理学者、マルタイン・マルダース氏は述べた。

研究者たちは10年以上かけて研究を進めた。その末、Wボソンはこれまでのどの測定よりも質量が大きく、理論予測と一致するには質量が大きすぎることが判明した。この差は、単なる統計的偶然として片づけるにはほぼ間違いなく大きすぎる。

「新たな結果が予想からこれほどかけ離れるとは、誰も予想していなかったと思います」とカンパニャーリ氏は言う。

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W ボソンは、現代の素粒子物理学の核心である標準モデルの壁を崩すレンガです。標準モデルは、宇宙の基本的な構成要素である 12 個の素粒子で構成され、理論の鎖でしっかりと結ばれています。標準モデルは、物理学者が新しい粒子を発見するためのガイドとなっています。最も注目すべきは、研究者をヒッグス粒子に導いたことです。ヒッグス粒子は、同種の粒子に質量を与えるのに役立つ、長年探し求められてきた粒子です。標準モデルの予測は、何度も当たってきました。

しかし、標準モデルは概要ではなく、その図では宇宙の多くの部分が未解決のままです。重力がどのように、あるいはなぜ機能するのか、暗黒物質はなぜ宇宙に反物質よりはるかに多くの物質が存在するのか、その理由は説明されていません。

「我々は決して標準モデルが本質的に完全であるとは信じていません」とコトワル氏は言う。

そして、もしこの結果が正しいとすれば、「正直に言って、これはおそらく標準モデルが長年にわたり直面してきた最大の問題だと言えると思います」とマルダーズ氏は言う。

今後数日から数か月にわたって、素粒子物理学者たちは論文のあらゆる側面を細かく分析し、説明を求めることになるだろう。フェルミ国立加速器研究所のチームが未知の誤りを犯した可能性もあるが、理論的背景を少し変更するだけで矛盾を説明できる可能性もある。

フェルミ国立加速器研究所の発見が正しいものであったとしても、課題はまだ終わっていない。物理学者たちは独立して結果をクロスチェックし、全く別の実験で検証する必要がある。例えば、なぜこれまでの測定ではWボソンがこれほど重いことは観測されなかったのかを知りたいだろう。「そのためには、CERNの実験に期待がかかる」とマルダーズ氏は言う。

実際、CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、テバトロンが観測したよりも多くの W ボソンをすでに観測している。現在、そのデータを扱う科学者たちは、それらの観測から質量を計算するという新たな動機を持っている。今年後半に LHC が全面的に稼働し始めるとき、あるいはさらに将来的には 2027 年にアップグレードされたときに、彼らは新たな衝突から助けを得るかもしれない。

しかし、LHC が証拠を示したと仮定すると、異常な振る舞いをする W ボソンは、量子の影に隠れている何かの指紋である可能性がある。おそらくそれは、長い間解明されていなかった超対称性と呼ばれる理論によって予測されるような別の粒子、あるいはこれまで知られていなかった力の兆候なのだろう。

「これはまさに、私たちが標準モデルとして考えているものの核心であり、それが破綻するとすれば…すべてに疑問を持ち始めなければならない」とマルダーズ氏は言う。