一つの粒子が微小な振動の中に秘密を隠すことができるのか？最近の分析はその可能性を示しています。アメリカ合衆国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所の物理学者たちは、Muon g-2 実験を利用して、μ子の最も捉えにくい性質の一つである電気双極子モーメント（EDM）を探求しています。彼らは関連する証拠を見つけることはできませんでしたが、発見がないこと自体が有用な結果となりました。この協力は実験データの25%のみを使用し、μ子のEDMに対して現在最も強い直接的な制限を設定しました。この発見は、もしその性質が存在するならば、その大きさは現在の器具の検出能力を下回ることを示しています。
この結果は、μ子の研究をさらに進め、標準モデルを超える物理現象を探求する試みを促進します。
Muon g-2 実験によるμ子 EDMの研究成果
電気双極子モーメントは、粒子に内在する電気的性質を与え、そのスピンの方向と電気的挙動を結びつける性質です。μ子のような基本粒子にとって、これは単なる奇妙な現象ではありません。測定可能なEDMは、自然界の重要な対称性を破り、標準モデルを超える物理学を明らかにする可能性があります。また、宇宙論における重要な謎、すなわち宇宙に物質が反物質よりもはるかに多い理由に対する手がかりを提供するかもしれません。標準モデルはμ子のEDMを約10⁻³⁸ e·cmと予測していますが、この値は現在の実験では検出できないほど小さいです。新しいフェルミ実験室の制限値は、この予測から約19桁離れているため、この結果は標準モデルが予測する微小なEDMを排除するものではありません。
逆に、それはより大きな新しい物理学の寄与が存在する可能性の範囲を明確に狭めました。
ロンドン大学の研究者であるGavin Heskethは、「g-2実験の主要な測定は、物質と反物質の非対称性とは無関係な新しい物理学に非常に敏感です。電気双極子モーメントの探索は、私たちにこの敏感さを与えています。」と述べています。したがって、この結果がゼロ測定であったとしても、その意義は無視できません。協力チームが見つけた値はdμ = (−0.35 ± 0.19(統計) ± 0.34(系統)) × 10⁻¹⁹ e·cmであり、ゼロ値と一致し、95%の信頼度での上限|dμ| < 1.1 × 10⁻¹⁹ e·cmを設定しました。
この制限は、ブルックヘブン国立研究所からの以前の直接制限の約1.5倍であり、後者は約1.8 × 10⁻¹⁹ e·cmです。
フェルミ実験室の革新的なアプローチと今後の展望
フェルミ実験室が行った巧妙な点は、全く新しい実験を設計する必要がないことです。「すべてのパラメータを最適に設定して磁気双極子モーメントを測定すると、電気双極子モーメントにも一定の感度が生じます。」とEDM分析を主導した研究者のJoe Priceは述べています。Muon g-2装置は、直径50フィートの超伝導ストレージリングを使用して正μ子を保存します。技術的には反μ子であり、これらのμ子は光速に近い速度で運動します。μ子は崩壊する前に数百回循環します。磁場を通過する際、そのスピンの挙動は小型のジャイロスコープのようで、測定可能な方法で振動します。
この実験は元々、μ子の磁気双極子モーメント、すなわちその有名なg-2測定の背後にある性質を測定するために設計されました。しかし、この運動は同時に別の可能な信号を含んでいます。μ子のEDMは、振動の中に微小な垂直成分を導入します。
研究者たちは、μ子の崩壊時に生成される陽電子の平均的な垂直方向を測定することでこの信号を探します。μ子の超高速もこれに寄与します。通常の寿命はわずか2.2マイクロ秒ですが、相対論的時間膨張により実験中に約30倍に延長されます。これにより、研究者は微妙なEDM関連の運動を検出し、関連する電磁効果を強化するための時間が増えます。ストレージリング内の2つの追跡検出器が重要です。各検出器には、帯電粒子の軌跡を記録するための32層のアルミニウムコーティングされたMylarストローが含まれています。μ子が崩壊すると、陽電子が生成されます。これは電子の反物質に相当します。
陽電子自体も基礎物理研究の活発なテーマであり、最近観察された陽電子束縛状態の波動挙動を含みます。これらの陽電子を追跡することで、研究者たちはその垂直崩壊角度を特定し、EDMが予想する微小信号を探すことができます。
これらのトラッカーは最初からこの目的のために設計されたわけではありません。しかし、共同チームが実験を開始したとき、研究者たちはビームが仕様に達していないことを発見しました。トラッカーはビームの位置を特定し、その輪郭を描くのに役立ちます。フェルミ研究所の上級研究員ブレンダン・ケイシーは、「トラッカーはビームの輪郭を描くために不可欠です。これがなければ、私たちはデータからg-2やEDMの結果を抽出することができません。実際、絶対的に必要なものとなりました。」と述べています。
この結果は、フェルミ研究所のデータの25%のみを使用して得られました。分析に使用されたデータは2019年と2020年に収集され、共同チームの改良されたトラッキングおよび分析手法により、ブルックヘブン研究所よりも強力な直接的制限を設定することができました。これは、最初は異なる測定のために設計された実験にもかかわらずです。この結果は、フェルミ研究所が希少なミュー粒子の挙動を探求する努力をさらに強化し、これらの挙動が標準モデルを超える物理学を明らかにする可能性があります。これは、これまでで最も敏感なミュー粒子EDMの直接探索となり、約50年ぶりの世界的な3回目の直接探索でもあります。
この実験は、なぜゼロの結果が科学的に価値があるのかを示しています。確認されたEDMは新しい物理学を指し示し、物質と反物質の非対称性を説明する手助けとなる可能性があります。他の高精度の実験も、物質が反物質を支配する理由に関する手がかりを異なる方向から解決しようとしています。フェルミ研究所の結果は、日本とスイスで開発中の新しい実験に基準目標を提供し、これらの実験ははるかに高い感度を実現することを目指しています。その間、共同チームは残りのデータから情報を引き続き抽出することができます。したがって、この探求はまだ終わっていません。
フェルミ研究所の最初の探索は、物理学者がミュー粒子の潜在的な隠れた性質についての認識の境界を進めただけです。