50 年以上にわたり、素粒子物理学者は、物理世界のすべての素粒子と、それらが 3 つの基本的な力を通じてどのように相互作用するかを説明する理論である標準模型という 1 つの枠組みを通じて宇宙を説明してきました。
このモデルが非常に役立つのは、「欠落している」粒子など、信じられないほど正確であることが証明されている、具体的でテスト可能な予測を作成できるためです。注目すべき例の 1 つはヒッグス粒子です。この粒子は、最初に存在が予測されてからほぼ半世紀後、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) によって取得されたデータを使用して 2012 年に発見されました。
しかし、素粒子物理学は、その最も重要なツールが周囲の世界と完全に一致していないように見えることがますます増えています。最も注目すべき問題は、重力を説明できないことです。また、宇宙を結びつけているように見える暗黒物質の現象を説明できる粒子も示唆されていない。
他の実験でも理論に亀裂があることが示されています。素粒子物理学者は崖っぷちに立たされています。彼らが依存してきた標準モデルを捨てて、まったく新しい理論を作成する時期が来たのでしょうか?
ペンギンの問題
B中間子と呼ばれる特定の粒子の崩壊を調べるLHCでの実験は、標準モデルの棺の最新の釘となる可能性がある。
通常、素粒子物理学者は、LHC などの加速器を使用して小さな粒子をほぼ光の速度で粉砕し、より重い粒子を作成することによって研究を行います。しかし、一部の研究者は、代わりに、これらのより重い粒子の存在を間接的に推測しようとしています。
そのような実験の 1 つは、B 中間子と呼ばれる粒子がどのように崩壊するかを研究します。非常にまれなケースですが、約 100 万件に 1 件の観測で、プロセスはペンギン崩壊と呼ばれる、より大きな「目に見えない」粒子の影響を受けることがあります。
このペンギンの衰退は標準モデルによって予測されていますが、予測された速度は、LHC が実験中に観測した頻度と一致しません。
それは大したことではないように聞こえるかもしれません – おそらくこの実験ではたまたまペンギンの衰弱が観察される頻度が低かっただけかもしれません – しかし、関係する観察の膨大な数を考慮すると、それはより驚くべきものになります。 LHCの研究者らは650件を分析した 十億 B中間子崩壊では、ペンギン崩壊が本来よりも少ないだけでなく、粒子が指す方向の観測にも異常が見つかった。
この発見は鉄壁ではなく、標準モデルに対する明らかな決定打というわけでもありません。しかし、それは興味深い兆候です。
現時点では、結果はいわゆるファイブシグマ閾値（観測結果がランダムな偶然による確率が 170 万分の 1 となる点であり、科学的発見のゴールドスタンダードと考えられている）を満たしていません。その閾値を達成するには、さらに多くの観察が必要になります。
また、この発見は、少なくとも部分的には、魅惑的に「魅力的なペンギン」と呼ばれる非常に測定が難しい現象によって引き起こされている可能性もあります。これらは「チャームされた」クォークが関与する相互作用ですが、その結果を予測するのは困難です。
しかし、非標準モデルの物理学のヒントは、LHC の検出器の 1 つであるコンパクト ミュオン ソレノイド (CMS) を使った研究によって裏付けられています。この研究でもペンギンの衰退について調べましたが、異なるハードウェア、異なる方法論を使用し、異なる研究者によって実行されたため、独立した検証の情報源として貴重なものとなっています。
亀裂が伸びる
これらすべては、標準モデルが機能しない事例がさらに増えていることを示す証拠となりつつあります。 「この種の測定から亀裂が見え始めています」と、この問題を調査している研究者の一人であるインペリアル・カレッジ・ロンドンのマーク・スミス博士は言う。
それは、標準モデルでも説明されていない重力と暗黒物質の長年の問題を忘れているわけではありません。
「私たちは、標準模型を超える新しい物理学が存在するはずだと常に知っていました」とスミス氏は言います。 「問題は、それが何なのか全く分からないということです。」
標準モデルに変更が必要になったのはこれが初めてではありません。たとえば、1990 年代には、これまで質量がないと考えられていた粒子であるニュートリノが質量を持つことを可能にするためにモデルが微調整されました。実際、理論モデルは通常、ほぼ無限の方法で微調整できますが、素粒子物理学ではより制限されたアプローチが必要です。
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「素粒子物理学の興味深い点の 1 つは、何も孤立して存在しないということです」とスミス氏は言います。 1 つの測定値、または 1 つの特定の粒子の存在は、モデルの他の部分にも影響を与えます。
たとえば、暗黒物質を説明するために新しい粒子を導入する場合、その存在を枠組み全体に組み込む必要があります。 「つまり、得られた測定値を説明するために 1 つの新しい粒子を取得するだけではなく、必然的にまったく新しい範囲の粒子が取得されることになります。」
ペンギンの崩壊から暗黒物質、重力に至るまで、非標準模型の物理学を証明する手がかりは増え続けており、現在存在する標準模型に簡単に組み込むことができるものではなさそうです。
それらはまったく新しい物理概念への移行を伴う可能性が高く、その移行がどのようなものであっても、ペンギンの崩壊速度がなぜそのようになるのか、暗黒物質の形成、重力の仕組みに至るまで、増え続ける非標準模型の観測を説明できる可能性がある。
「これについて説明できれば非常に自然なことだろう」 [penguin decay] また、暗黒物質、または少なくとも暗黒物質の候補についての説明も得られます」とスミス氏は述べています。
この新しい物理学に何が関係するのかを理解するには、さらに多くのデータが必要になります。そして、この面での良いニュースは、すでに LHC で収集された豊富なデータがあり、分析され、提示されている段階であるということです。
研究者らは現在、最新の論文の5倍のデータを入手できており、これが素粒子物理学の証拠のゴールドスタンダードを満たすための5シグマの閾値を提供することを期待しており、CMSからも今後さらに多くのデータが提供される予定である。スミス教授は、ペンギンの衰退の問題は5年から10年以内に解決されるだろうと推定している。
そして、世界中の実験や、暗黒物質やニュートリノなどのテーマに取り組んでいる他の素粒子物理学グループから得られる可能性のあるデータが大量にあり、それらは新しい物理学への道を示す可能性もあります。
課題と興奮は、新しいモデルに関して私たちが探しているもののロードマップがないことです。
「私たちは初めて、次に何が起こるかわからない地域にいます」とスミス氏は言う。ヒッグス粒子の発見など、素粒子物理学におけるこれまでのブレークスルーは重要な成果でしたが、それらは標準模型によって予期され、予測されていました。さて、次に識別される粒子が何であるべきか、あるいはそれをどこで探せばよいのか、まったくわかりません。 「もし私たちが何か新しいものを見たら、それはまったく予期せぬものになるでしょう。そしてそれはとてもとてもエキサイティングなことだと思います。」
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