[비즈한국] ノーベル賞の指標と呼ばれる賞がある。ブレイクスルー賞だ。シリコンバレーの経営者たちが、科学の発展に貢献した科学者たちに多額の賞金とともに賞を授与する。この賞を受賞すれば、数年以内にノーベル賞を受賞するという話がある。
今年は、ハドロン衝突型加速器でいわゆるミューオン（muon）g-2実験を導いた物理学者たちに賞が贈られた。キム・ヨンギ シカゴ大学教授が名誉所長を歴任したフェルミ国立加速器研究所も名を連ねた。とても素晴らしいニュースだ。
非常に小さな微視的世界で起きる混乱は、長く解けない宇宙の秘密、暗黒物質に対する思いがけないヒントになるかもしれない。巨大なマクロコスモスの解けない秘密が、この小さくて小さなミクロコスモスの中に隠されているかもしれない。コスモスをまたぐたびに、私たちは全く異なるスケールで、見知らぬ新しいコスモスに出会う。果たして、今年ブレイクスルー賞の主人公となったミューオンg-2実験は、一体どんな秘密を秘めているのだろうか？
ヒッグス粒子が発見された後、多くの人が考えた。もう本当に重要な粒子はほとんど見つけたのではないか。標準模型は非常にうまく適合し、実験はますます精密になっているが、新しい粒子は見当たらない。もしかすると、粒子物理学の大発見の時代は終わったのではないだろうか。ところが2021年、ごく小さな粒子一つが、再び全世界の物理学者を興奮させた。その粒子の名はミューオンだ。
ミューオンは、電子の重い親戚のような粒子だ。電子と電荷も同じで、スピンも同じで、多くの性質が非常に似ている。しかし決定的に、はるかに重い。電子より約200倍も重い。そして非常に不安定だ。ミューオンは永遠に生き残る粒子ではない。およそ100万分の1秒ほどしか存在せず、他の粒子へと崩壊する。
ミューオンは宇宙でも自然に生成される。宇宙線と呼ばれる高エネルギー粒子が地球の大気と衝突すると、その過程でミューオンが作られる。今この瞬間も、地球の大気圏では数多くのミューオンが生まれては消えている。ただ寿命があまりに短いため、しばらく現れては忽然と姿を消すだけだ。一見すると、あってもなくてもいい粒子のようにも感じられる。では、なぜ科学者たちはこれほどすぐに消えてしまう粒子に執着するのだろうか。ミューオンが、宇宙の何もない空間を非常に敏感に感じ取る粒子だからだ。
私たちが普段考える何もない空間は、何もない空間だ。しかし量子力学の観点から見ると、真空は決して空っぽではない。真空は目に見えない量子的なスープのようなものだ。その中では、粒子と反粒子がごく短い瞬間に生まれては消える。電子と陽電子が少し現れては消えることもあれば、光子が現れては消えることもあり、さらに複雑にはクォークと反クォークのペアも瞬間的に生まれては消える。ミューオンは、まさにこの量子的なスープの中を通り抜けながらその影響を受ける。電子も影響を受けるが、ミューオンは電子よりはるかに重いため、より敏感だ。そのためミューオンは、見えないスープの中にどんな材料が入っているのかを教えてくれる探針のように機能する。
電子やミューオンのような粒子は、スピンという量子力学的な性質を持つ。スピンは粒子が実際にコマのように回転しているという意味ではないが、小さな回転と似たような効果を生み出す。電荷を持つ粒子がスピンを持つと、その粒子は小さな棒磁石のように振る舞う。つまり、磁気モーメントを持つ。乱暴に言えば、ミューオンは非常に小さな磁石だ。そのため強い磁場の中に入れると、その小さな磁石の向きが揺れる。コマを回してみると、コマの軸が真っ直ぐに立たず、ゆっくりと揺れる様子が見られる。これを歳差運動という。ミューオンも磁場の中で同様に揺れる。この度合いを表す値をgと言う。
1930年代のディラックの理論によると、電子やミューオンのようなスピン2分の1の粒子のg値は、正確に2になるはずである。当時の理論は、複雑な内部構造を仮定しなくても、電荷とスピンを持つ基本粒子の磁気的性質を2という綺麗な数字で予測した。しかしコスモスは常に私たちの期待を超える。1948年、科学者たちは電子のg値を非常に精密に測定した。結果は正確な2ではなかった。2.00238程度だった。2よりごくわずかに大きかった。違いはわずか0.1パーセント程度。しかし物理学では、単なる誤差として片付けられない違いだ。ここで量子電磁力学が登場する。
量子電磁力学によると、電子は一人ではない。電子の周りの真空は、瞬間的に生まれては消える粒子の雲で囲まれている。電子近くの電場は非常に強く、そのエネルギーは短い間、粒子と反粒子のペアを作り出すことができる。電子・陽電子ペアが生まれては消え、光子が放出されては吸収される。亜原子の世界において、電子やミューオン周辺の空間は、まるでホタルが瞬く森のように見えるかもしれない。粒子が少し現れては消え、その短い存在が、本来の粒子の磁気的性質をほんの少し変える。だからgは正確に2ではない。2よりごくわずかに大きい。
この小さな超過分を、科学者たちは磁気異常（anomalous magnetic moment）と呼ぶ。数式では通常a=(g-2)/2と書く。文字通りgから2を引いた後、2で割った値だ。ミューオンg-2という名前もここから来ている。gが2からどれほど逸脱しているかは、ミューオンが周囲の量子的真空とどのように相互作用するかを示している。そしてその量子的真空の中には、標準模型に含まれるすべての粒子の効果が入る。光子、電子、陽電子、Wボソン、Zボソン、クォーク、グルーオンまで、すべてが少しずつ寄与する。
ブルックヘブン国立研究所は1990年代から2000年代初頭にかけて、ミューオンのg-2値を非常に精密に測定した。標準模型の計算とほぼ完璧に一致した。ほぼすべての桁が合っていた。しかし、ごく下の桁、小数点以下8桁目や9桁目あたりで違いが出た。日常的に見ればとんでもなく小さな違いだ。地球の周囲を予測する際に10〜30cmほど差が出ることに例えられる。ところが粒子物理学では、このような違いも無視できない。
フェルミ国立加速器研究所の実験は、ブルックヘブンで使用した巨大な磁気貯蔵リングを再利用した。このリングは直径が50フィート、約15メートルに及ぶ巨大な円形装置だ。元々ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所にあったこの装置を、イリノイ州バタビアのフェルミ研究所へ移送するため、研究者たちは陸路で真っ直ぐ移動することはしなかった。装備が大きすぎて非常に繊細だったからだ。そのため、海と川を経由して移動した後、最後は巨大なトラックに載せてフェルミ研究所まで運搬した。
フェルミ研究所は高エネルギーのミューオンを作る。そして、これらのミューオンを強い磁場がかけられた円形リングの中に打ち込む。ミューオンはリングの中を速く回転しながら、磁場のために揺れる。この揺れの周波数、すなわち歳差運動の速度が、まさにミューオンの磁気モーメントを教えてくれる。しかしミューオンは長くは生きられない。約100万分の1秒後に崩壊する。その短い時間にリングの中を数百回回ることはできるが、結局は電子や陽電子などに崩壊する。実験装置周辺の検出器は、この崩壊から出てくる粒子のエネルギーと方向を測定する。そして、その情報を通じて元のミューオンがどのように揺れていたのかを逆算して割り出す。
この実験は極めて精密でなければならない。磁場が少しでも違えばダメだ。検出器の時間測定が少しでもズレてもダメだ。ミューオンビームの形状、電場の補正、垂直方向の振動、系統誤差まで、すべてを制御しなければならない。そのためフェルミ研究所のミューオンg-2実験は、ブラインド方式で行われた。
2021年のフェルミ研究所の初の結果は、ブルックヘブンの結果とよく一致した。フェルミ研究所とブルックヘブンの両方の結果とも、当時の標準模型の代表的な理論値と比較すると4.2シグマほどの差があった！新しい発見として認められる5シグマまでではないが、明らかに無視できない違いだった。解決されない間隙は何を意味するのか？
ここで、また別の興味深い概念が登場する。まさにレプトクォークだ。通常、レプトンとクォークは種類の異なる粒子だと考えられている。電子とミューオンはレプトンであり、強い核力の影響を受けない基本粒子だ。クォークは陽子と中性子を成す基本粒子だ。ところが、レプトクォークはこの2つの性質を同時に持つ仮想の粒子だ。粒子と波動の区別を無意味にした量子革命が今一度、今回は標準模型の中でレプトンとクォークの境界を崩す試みをしている。このコスモスの向こう側にどれほど奇妙な存在が隠れているのか、ふと恐怖すら感じるような想像だ。この仮想の粒子が本当に存在するなら、崩壊過程において電子とミューオンを少し不公平に扱う可能性がある。
標準模型には、いわゆるレプトン普遍性という原理がある。電子、ミューオン、タウは質量が異なるが、基本的な相互作用の仕方は同じであるべきだという考えだ。したがって、特別な質量効果を除けば、ある過程が電子ペアになる割合とミューオンペアになる割合は同じでなければならない。ところが、ハドロン衝突型加速器でLHCbのデータを分析した結果は、予期せぬ不均衡を見せた。ミューオン側へ向かう崩壊が、電子より少なかった。1対1ではなかった。ミューオンへ向かう崩壊が0.8程度だった。
これが事実なら、なぜか宇宙は電子とミューオンを異なって扱っているという意味になる。電子をよりひいきし、より多く作る方を好むということだ。しかし、これは既存の標準模型の中では理解しにくい。そのため、いわゆる既存の4つの基本力を超える別の「第5の力」のせいではないかという解釈まで登場した。
すでに標準模型が完全ではないという事実は知られている。標準模型は暗黒物質を説明できない。宇宙になぜ物質は多く、反物質はほとんど存在しないのかも説明できない。ヒッグス粒子がなぜそれほど軽いのかも、深い謎として残っている。高いエネルギーで力がどのように統合されるのかも、まだ完全にはわかっていない。だから物理学者は、新しい物理学がどこかにあるはずだと考えている。ただ、それがどこで、どのような形で現れるのかがわからないだけだ。ミューオンg-2は、その可能性の扉を開いた実験だった。
参考
https://muon-g-2.fnal.gov/
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。子供の頃に「銀河鉄道999」を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を共に行っている。『毎日、宇宙の一かけら』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないがわかる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問』などの本を書き、『本当に宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイドブック』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタムライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。