宇宙や物質の成り立ちに関する素粒子物理学の基本法則では説明できない現象を捉えた可能性が高いとする実験結果を、米フェルミ国立加速器研究所が発表した。実験の正しさが確定すれば、未知の物理法則に基づく新たな素粒子や力が存在する証拠となり、ノーベル賞級の発見となる。
研究チームはミューオンと呼ばれる電子の仲間の素粒子を加速器で作成。ミューオンが持つ磁石の性質の強さを超精密に測定したところ、素粒子物理学の基本法則である標準理論の予測値と合わないことが分かった。暗黒物質の候補である未知の素粒子などの影響を受けている可能性がある。
標準理論を超える新たな物理法則の発見につながれば、宇宙や物質の根源的な謎の解明を目指す物理学に画期的な進歩をもたらす。
今回の結果は米ブルックヘブン国立研究所が約20年前に測定した値とほぼ一致しており、両研究所のデータを統合すると、実験結果が正しい確率は99・997%。確定させるには99・9999%の正確さが必要で、さらに実験を続ける。
Published April 7, 2021 Updated April 9, 2021
物理学の常識を覆す素粒子の「ゆらぎ」。
ミューオンと呼ばれる素粒子の実験は、宇宙の性質と進化に不可欠な物質とエネルギーの形態が、科学的にはまだ知られていないことを示唆している。
The Muon g-2 ring, at the Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Ill., operates at minus 450 degrees Fahrenheit and studies the wobble of muons as they travel through the magnetic field.Credit...Reidar Hahn/Fermilab, via U.S. Department of Energy
【NewYorkTimes】デニス・オーバーバイ氏2021年4月7日発行 更新日:2021年4月9日
小さな素粒子が物理学の法則に反しているという証拠が次々と明らかになっている。
この結果は、科学的にはまだ知られていない、宇宙の性質と進化に不可欠な物質とエネルギーの形態が存在することを示唆していると、物理学者たちは述べています。今回の成果は、2012年に発見された「ヒッグス粒子」以上の画期的な発見につながる可能性があるという。
"フェルミ国立加速器研究所の物理学者であるクリス・ポリーは、「これは火星探査機が着陸する瞬間です」と語り、この発見に向けてキャリアの大半を費やしてきました。
この粒子は、電子に似ているがはるかに重い、宇宙に不可欠な要素であるミューオンである。ポリー博士をはじめとする7カ国200人の物理学者からなる国際チームは、フェルミラボ研究所の強力な磁場の中でミューオンを発射すると、予測通りの挙動を示さないことを発見しました。
この異常な振る舞いは、宇宙の基本的な粒子(数え上げれば17個)とその相互作用を列挙した一連の方程式である「標準モデル」に確固たる挑戦を突きつけている。
"ケンタッキー大学の物理学者であるレニー・ファテミ氏は、「これは、ミューオンが我々の最良の理論にないものに敏感であるという強い証拠です」と述べています。
「ミュオンg-2」と呼ばれる実験で初めて得られたこの結果は、2001年にブルックヘブン国立研究所で行われた同様の実験結果と一致し、それ以来、物理学者を悩ませてきました。"ブルックヘブンの実験結果を確認できたことが、このニュースの最大の特徴です」とポリー博士は述べています。
水曜日に行われたバーチャルセミナーと記者会見で、ポリー博士は、フェルミラボの研究結果が理論的予測から外れた部分にある白い空間を示すグラフを指し示しました。"ポリー博士は、フェルミ加速器研究所の研究結果が理論予測から外れた部分のグラフを指して、「この白い部分には何かが寄与しているに違いないと、かなり高い自信を持って言える」と述べました。"どんなモンスターが潜んでいるのだろうか?"
"イタリア国立核物理研究所の物理学者であるグラツィアーノ・ヴェナンゾーニ氏は、フェルミラボ社が発表した声明の中で、「今日は、我々だけでなく、国際的な物理学コミュニティ全体が待ち望んでいた特別な日です」と述べています。今回の成果は、Physical Review Letters、Physical Review A、Physical Review D、Physical Review Accelerators and Beamsに投稿された一連の論文にも掲載されています。
今回の測定が偶然である確率は4万分の1程度であると、科学者たちは報告しています。これは、物理学の基準で正式な発見を主張するために必要なゴールドスタンダードにはほど遠いものです。科学の世界では、有望な信号が消えてしまうことはよくありますが、もっと多くのデータが出てきています。水曜日の結果は、ミューオン実験が今後数年間で収集すると予想されるデータ全体の6%に過ぎない。
“This is our Mars rover landing moment,” said Chris Polly, a physicist at the Fermi National Accelerator Laboratory, or Fermilab, in Batavia, Ill., where the research is being conducted.Credit...Reidar Hahn/Fermilab, via US Department of Energy
CERNの大型ハドロン衝突型加速器などで行われる高エネルギー粒子実験の結果をうまく説明する標準モデルは、何十年もの間、物理学者たちに信頼され、それに縛られてきました。しかし、このモデルでは、宇宙に関する多くの深い疑問が残されています。
ほとんどの物理学者は、より深く、より遠くを見ることさえできれば、新しい物理学の豊かな宝庫が待ち受けていると信じている。今回のフェルミラボ実験で得られた追加データは、高価な次世代の粒子加速器の建設に意欲的な科学者たちにとって、大きな後押しとなるだろう。
また、私たちの孤独な種族が長い間悩んできた宇宙の謎の説明にも、やがてつながるかもしれません。天文学者によると、宇宙の4分の1の質量を占めるという目に見えない物質、ダークマターとは一体何なのか?そもそも、なぜ宇宙には物質が存在するのか?
水曜日の発表を受けて、ツイッターなどでは、物理学者たちが熱狂と警戒を交えて反応しています。
CERNのファビオラ・ジャノッティ事務局長は、お祝いの言葉を送り、この結果を "興味深い "と述べました。しかし、フランクフルト高等研究所の物理学者であるサビーネ・ホーセンフェルダーは、こうツイートした。"もちろん、新しい物理学である可能性はあります。しかし、私はそれに賭けません。"
実験に参加していないフェルミラボ社の理論物理学部長、マルセラ・カレナ氏は次のように述べている。"非常に興奮しています。この小さなぐらつきが、私たちが知っていると思っていたことの基礎を揺るがすかもしれないと感じています」。
‘Who ordered that?’
The Muon g-2 particle storage ring in the MC-1 Building at Fermilab.Credit...Fermilab
ミュオンは、物理学の主役にはなり得ない粒子である。太った電子」と呼ばれることもあるミューオンは、バッテリーや照明、コンピューターの動力源であり、原子の核の周りを飛び回るおなじみの素粒子に似ている。マイナスの電荷を持ち、スピンと呼ばれる小さな磁石のように振る舞う性質を持っている。
しかし、その質量は、よく知られているものと比べて207倍もあります。しかも不安定で、120万分の1秒で電子とニュートリノという超軽量の粒子に放射状に崩壊してしまう。
ミューオンが宇宙の全体像の中でどのような役割を果たしているかは、いまだに謎です。"1936年にミューオンが発見されたとき、コロンビア大学の物理学者I.I.ラビは「誰がそんなものを注文したんだ」と言ったそうです。現在では、ミューオンは大型ハドロン衝突型加速器のような場所で、普通の粒子を高エネルギーで衝突させたときに大量に生成されます。
ミュオンが現在有名になっているのは、原子の世界を支配する量子力学の奇妙な法則による。量子力学では、何もない空間は実際には空ではなく、存在したり消えたりする「仮想」の粒子で沸き立っていると考えられている。(色即是空 空即是色)
"ポリー博士は、フェルミラボによって投稿された伝説の声明の中で、「粒子が世界でひとりぼっちになることなんてあるのかと思うかもしれません。"しかし、実際には、まったく孤独ではありません。量子の世界では、すべての粒子は他の粒子の側近に囲まれていることがわかっています」。
この仲間たちは、既存の粒子の振る舞いに影響を与え、ミューオンの磁気モーメントと呼ばれる性質(方程式ではgと呼ばれる係数で表される)にも影響を与える。
しかし、ミューオンは単独ではないので、宇宙に存在する他のすべての潜在的な粒子から生じる量子のゆらぎを計算式で補正する必要があります。そのため、ミューオンの係数gは2以上となり、それが実験の名前の由来となっています。ミュオンg-2。
g-2が理論的な予測からどの程度逸脱しているかは、宇宙にまだどれだけの未知のものがあるかを示す一つの指標であり、ポリー博士が言うように、物理学者が発見すべきモンスターがどれだけ暗闇に潜んでいるかを示しています。
1998年、当時大学院生だったポリー博士をはじめとするブルックヘブンの物理学者たちは、この宇宙の無知を探るべく、g-2を実際に測定し、予測値と比較することに着手した。
この実験では、Alternating Gradient Synchrotronと呼ばれる加速器でミューオンのビームを作り、超伝導磁石で制御された巨大なレーストラックである幅50フィートのストレージリングに送り込みました。
得られた「G」の値は、標準モデルの予測とは大きく異なっており、物理学者の想像力をかき立てるには十分でしたが、確実な発見と言えるほどの確信はありませんでした。さらに、標準モデルの正確な予測値については専門家の間でも意見が一致せず、希望的観測はさらに混迷を極めた。
実験をやり直す資金がないため、ブルックヘブン社は2001年に50フィートのミューオン貯蔵リングを引退させた。宇宙は宙ぶらりんになってしまった。
The big move
The 50-foot magnet racetrack required for the experiment at Fermilab went on a 3,200-mile odyssey in 2013, mostly by barge, down the Eastern Seaboard, around Florida and up the Mississippi River, then by truck across Illinois.Credit...Cindy Arnold/Fermilab, via US Department of Energyフェルミ研究所では、ミューオンを研究するための新しいキャンパスが建設されていた。
"これで可能性が広がった」とポリー博士は伝記記事の中で振り返っている。その頃、ポリー博士はフェルミラボ研究所に勤務していたが、フェルミラボ研究所にg-2実験をやり直すように働きかけ、フェルミラボ研究所はポリー博士を担当にした。その結果、彼が責任者となった。
しかし、実験を行うためには、ブルックヘブンにある50フィートの磁石のレーストラックが必要でした。磁石は2013年、東海岸からフロリダを経てミシシッピ川を渡り、イリノイ州のバタビア(フェルミラボ社の本拠地)までトラックで移動しましたが、そのほとんどが艀(はしけ)によるものでした。
磁石は空飛ぶ円盤のような形をしており、時速10マイルでロングアイランドを南下しながら注目を集めた。"私は歩いて、私たちがやっている科学について人々に話しました」とポリー博士は書いている。"コストコの駐車場で一晩過ごしました。1,000人以上の人たちが見に来て、科学の話を聞いてくれました」。
この実験は、より強力なミューオンビームを用い、ブルックヘブン版の20倍のデータを収集することを目標に、2018年に始動しました。
一方、2020年には、「Muon g-2 Theory Initiative」と呼ばれる170人の専門家グループが、3年間のワークショップと標準モデルを用いた計算に基づいて、ミューオンの磁気モーメントの理論値の新しいコンセンサス値を発表しました。その答えは、ブルックヘブンが報告した当初の矛盾を補強するものでした。
発表を2日後に控えた月曜日、イリノイ大学の物理学者で、Muon g-2 Theory Initiativeの共同議長を務めるAida X. El-Khadra氏は、「この結果を長い間待っていた」と電話で語った。
"熱い炭の上に座る "という感覚は今までなかった。
フェルミ研究所の発表日には、別のグループが、格子計算と呼ばれる別の手法でミューオンの磁気モーメントを計算したところ、エル・カドラ博士のグループとは異なる答えが出て、新たな不確定要素が加わった。
"水曜日に『Nature』誌に掲載された報告書の著者の一人であるペンシルバニア州立大学のZoltan Fodor氏は、インタビューで「はい、我々は、標準モデルとブルックヘブンの結果の間に矛盾はなく、新しい物理学は存在しないと主張しています」と語っています。
El-Khadra博士は、この計算を「驚くべき計算」と称しましたが、他のグループの独立した研究結果と照合する必要があると付け加えました。
Into the dark
Inspecting the Muon g-2 ring in 2013. Credit...Reidar Hahn/Fermilab, via U.S. Department of Energy
さらに、もう1つの問題がありました。人間のバイアスを避けるために、また、ごまかしが効かないようにするために、実験者は盲検化と呼ばれる大規模な実験でよく行われる方法を採用しました。この場合、ミューオンの振動を記録するマスタークロックは、研究者が知らない速度に設定されていました。この数字は、フェルミラボ社とワシントン大学(シアトル)のオフィスで鍵をかけた封筒に封印されていました。
2月25日に行われたセレモニーは、ビデオに録画され、Zoomで世界中が見守る中、ポリー博士がフェルミラボ社の封筒を開け、ワシントン大学のデビッド・ヘルツォーグ氏がシアトルの封筒を開けました。中に入っている数字を、すべてのデータの鍵となる表計算ソフトに入力すると、結果が飛び出してきて、驚きの声が上がりました。
"イギリスのリバプールから遠隔でパンデミックに対応しているフェルミラボ社のポスドク研究員、Saskia Charity氏は、「共同研究者の誰もが同じ瞬間まで答えを知らなかったので、それが本当にエキサイティングな瞬間につながりました」と語っています。
このような難しい測定ができたという誇りと、ブルックヘブンの結果と一致したという喜びがあった。
"これは、ブルックヘブンが偶然ではなかったことを裏付けるもののようです。"と、理論家のカレナ博士は言います。"彼らには、標準モデルを破る本当のチャンスがあるのです。"
物理学者たちは、この異変が新しい粒子を探す方法のヒントになったと言います。その中には、大型ハドロン衝突型加速器やその後継機に搭載可能なほど軽い粒子も含まれています。その中には、すでに記録されているかもしれないが、あまりにも珍しいために、装置が記録する膨大なデータの中からまだ出てきていないものもあるという。
フェルミ加速器研究所の宇宙学者であるゴダン・クルニャイック氏によると、Zプライムと呼ばれるもう一つの候補は、ビッグバンにおけるいくつかの謎を解明する可能性があるという。
g-2の結果は、次世代の物理学のアジェンダとなる可能性がある」とメールで語っている。
"もし、観測された異常の中心値が固定されたままなら、新しい粒子は永遠に隠れることはできません"。"今後、基礎物理学について大いに学ぶことができるでしょう。"
歳差運動とは何?https://home.hiroshima-.ac.jp/kyam/pages/results/monograph/Ref05_precess.pdf
ミューオンは電子と同様に負の電荷を持ち、スピンと呼ばれる量子的な性質を持っているため、磁場の中に置かれると、小さなコマのように歳差運動(首振り運動)をする。磁場が強くなるほど、ミューオンの歳差運動は速くなる。
標準モデルとは何?
この動画↑は、私のような素人素人にはすごくわかり易いです。
1970年代に考案された標準モデルは、宇宙のすべての粒子のふるまいを数学的に説明する人類最高の理論であり、ミューオンの歳差運動の周期も高い精度で予測することができる。しかし2001年、米ブルックヘブン国立研究所は、ミューオンの歳差運動が標準モデルの予測よりもわずかに速いように見えることを発見した。
物理学者たちは、ミューオンの磁気的な歳差運動が他の既知の粒子からどのような影響を受けているかを詳しく調べてきた。
ただ、それでも神様は幾つか宿題を残すかもしれませんが・・・・
話は、若干素人科学談義から離れますが、最初正直産経新聞の記事を読んでも、情報量が少なくて、何が凄いのか理解できず、ちんぷんかんぷんでした。それでもかなり画期的なことであろうと思い知りたくなりました。
日本語で今回の画期的発見について何か解説がないかと検索したのですがヒットせず、やむを得ず英文で検索したところNYTの記事がヒットし、簡単なGoogle日本語自動翻訳で読んでもよくわからず、DeepLで訳して読みました。一般紙であるNYTの記事の充実ぶりに驚きましたが、DeepLで訳しても結局、よくわからず。今回の記事を作成し、更にいろいろと調べてみました。そして記事を書き上げたところ、結果産経新聞の記事は、内容を凝縮し要約すると産経新聞の記事内容であることがわかりました。
しかし、産経新聞の記事を読んで内容を理解できる人間が何万人日本にいるのか?万ではなく何十万人かもしれないが、私のようなわからないけど手間をかけて調べようとする人間がいったい何万人いるのであろうか?もしかしたら調べたのは何千人単位かもしれない。日本人の科学離れは由々しき状態のような気がします。
物理界の根幹を揺るがす「大発見」みなさんは「素粒子」という言葉を知っているだろうか。米フェルミ国立加速器研究所などのチームが、素粒子「ミューオン」が素粒子物理学の基本である「標準理論」では説明不可能な性質を示したことを発表したのだ。標準理論とは、素粒子と自然界の力が働く仕組みを説明した理論であり、素粒子物理学が100年以上かけて構築してきたものだが、今回の実験結果によって未発見の素粒子や力が存在する可能性が出てきた。もしこれが確認されれば、物理学の根幹をも変えてしまう大きな成果だ。「この世のもの」はなにでできているのかそもそも、私たちの身の回りにあるものは「原子」の組み合わせで出来ており、それには酸素や炭素のようにたくさんの種類がある。原子自体は、陽子・中性子・電子の3種類の粒子が組み合わさっていて、陽子と中性子は、原子核というかたまりになって原子の中心に位置し、電子はその回りに存在する。下の図で簡単にイメージして欲しい。ここまでは中学校で習う範囲だ。高校物理では原子よりもっと小さい粒子について習うが、多くの人はご存知ないかもしれないので説明しよう。前述した「陽子」と「中性子」は、「アップクォーク」と「ダウンクォーク」の組み合わせで出来ており、一方の「電子」はそれ以上分解できないと考えられている。同様にアップクォークとダウンクォークも分解できないことが知られている。そして「アップクォーク」「ダウンクォーク」「電子」のように、それ以上分解できない物質の最小構成単位のことを「素粒子」と呼ぶのだ。結局、私たちのまわりにある目に見える全てのものは、この3種類の素粒子の組み合わせで出来ているのである。「ミューオン」という素粒子写真:現代ビジネスそして、この度の実験結果を理解する上で重要となるのが、「ミューオン」という素粒子だ。ミューオンは、一秒間に数百個ほど宇宙から私たちの体に降り注いでいるが、放っておくと2.2マイクロ秒という非常に短い時間で電子と2つのニュートリノ(どちらも素粒子)に変化してしまうため、ものを形作ったりすることはできない。ミューオンの透過率(どのくらい通り抜けるかの割合)は物質の種類によって異なるのだが、この性質を使って、目では見ることができない物の内部の構造を調べる手法(ミュオグラフィ)として活用されている。これは、いわば大がかりなレントゲン写真のようなもので、例えば火山内部のマグマ量を調べたり、ギザのピラミッドに隠された部屋の探索に使ったり、最近では福島第一原子力発電所の炉心の様子を観察するためにも使用されている。ここまで、アップクォーク・ダウンクォーク・電子・ニュートリノ、そしてミューオンという素粒子が存在することを説明した。上の図にあるように、アップクォークとダウンクォークは、その名の通り「クォーク」という種類に属している。残りの電子・ニュートリノ・ミューオンは「レプトン」という種類に含まれる。レプトンの種類のうち、ニュートリノは電荷(電気の量)を持っていないが、電子とミューオンはマイナスの電荷を持っている。この二つは非常に似ていて兄弟のような関係と言える。その唯一の違いは質量で、ミューオンは電子の約200倍程度重い。初観測された「標準理論のほころび」質量の違う兄弟である電子とミューオンだが、もっと別の違いがあるかもしれないということが近年の実験で明らかになってきた。特にミューオンの性質は、これまで考えてきたものと異なっている可能性がある。今回の実験結果によって、その疑いが強まった。これが本当なら、どのくらいすごいことなのだろうか。素粒子の存在や性質は100年かけて少しずつ解明され、その集大成が標準理論である。この理論は現代物理学の金字塔とも呼ばれ、これまで実験で明らかになっている17種類の素粒子の性質を全て矛盾なく説明している。もちろん、ミューオンの性質もこの標準理論で予測されていた。そのため、ミューオンの性質が標準理論と異なることがわかれば、「標準理論のほころび」を初めて観測することになる。さまざまな観測から、宇宙は今も膨張を続けていて、昔の宇宙は今よりもずっとずっと小さかったことが明らかになっている。その頃は星などが存在せず、全てのものがぐちゃぐちゃに混ざり合う、灼熱の宇宙。宇宙が誕生してから10の-12乗秒(0.000000000001秒)の頃は、原子も存在できず素粒子が宇宙の主役だった。標準理論はこういった素粒子たちの性質を説明する理論であり、言い換えれば誕生から10の-12乗秒頃の宇宙を記述する理論とも言える。宇宙の最初にはなにがあったのかでは、「標準理論のほころび」とは一体何なのだろうか。これは、標準理論が間違っていることを意味するわけではない。例えば、ニュートンの力学はリンゴの運動を正確に説明しているが、素粒子の性質は説明できない。これはニュートン力学が間違っている訳ではなく、適応できる範囲を超えているだけのことだ。正しい使い方をすれば、今でもニュートン力学は非常に正確な理論として使うことができる。同様に、「標準理論のほころび」とは、標準理論では扱えない物理法則が存在するかもしれない、言い換えれば、宇宙のさらに最初期には私たちの知らない未知の素粒子の効果があったかもしれない、ということを示しているのだ。これまで標準理論は、全ての実験結果を正確に説明していたが、それは逆に言えば、標準理論を超えた物理法則の手がかりが得られていなかったことを意味している。そのため今回の実験結果は、私たちが万物の法則をより理解するための一助となるだろう。今回の実験結果によって、正確に「標準理論のほころび」があると確定したわけではなく、今後、より詳細な実験が行われ、同時に理論の計算が正しいかどうかの検証は続く。しかし、ようやく手にした、私たちが住む宇宙の手がかりであることに間違いはなく、人類が宇宙の誕生や世界の成り立ちにより迫る大きな一歩になりそうだ。ワクワクする1936年にミューオンが発見された当初は何の役に立つのか検討もつかなかった。むしろ理論を複雑にする厄介者とさえ考えられていた。ノーベル物理学賞を受賞したイジドール・イザーク・ラビは「誰がそんなものを注文したんだ!」と中華料理屋で叫んだといわれている。発見から85年の時を経た今では、ミュオグラフィのように私たちの生活に役立てられている。兄弟である電子も発見当時は使い道がなかったが、私たちの生活は今や電子機器に支えられている。素粒子物理学の実験は世界最先端の科学技術によって行われるため、その中で技術革新が生まれる場合もある。WWW(ワールド・ワイド・ウェブ)もはじめは素粒子実験のデータを共有すること目的で発明されたものだ。しかしそれらはあくまで副産物で、素粒子物理学者は皆ワクワクする発見を目指して研究している。新しい物理法則が発見されたとして、それを私たちの生活にすぐ役立てるのは難しいだろう。しかし100年後には、「素粒子物理学を発展させてくれてありがとう」と、私たちの子孫が言ってくれるかもしれない。「役に立つ」とは今を生きる私たちだけでなく、未来の子どもたちを含めた人類に向けた言葉であるべきだと思う。それが何年後になるのか、何に使われるのかわからなくても素粒子物理学は「役に立つ」学問であると信じている。佐藤 瑶(物理学者)