物理学の世界で、100億回に1回しか起こらない稀有な現象が、ついに科学者らの目の前で繰り広げられた。欧州原子核研究機構（CERN）のNA62実験チームが、史上最も稀な粒子崩壊の一つを観測することに成功し、物理学界に大きな衝撃を与えている。
100億分の1の確率を捉えた瞬間
2024年9月25日、ジュネーブで開催されたCERNのセミナーにおいて、NA62実験チームは、正電荷を持つK中間子が正電荷を持つパイ粒子とニュートリノ・反ニュートリノの対に崩壊する現象を、統計的に有意な水準で初めて観測したことを報告した。この現象は、K+→π+ννと表記され、粒子物理学の標準模型によると、100億個の正電荷K中間子のうち1個未満でしか起こらないとされている超稀少な過程だ。
NA62実験の広報担当者Giuseppe Ruggiero氏は、「この観測は10年以上前に始まったプロジェクトの集大成です。10の-11乗程度の確率で起こる自然現象を探索することは、魅力的であると同時に大きな挑戦でもあります。厳密かつ緻密な作業の末、ついにNA62が観測するために設計・建設された過程を見ることができました」と語った。
この稀少な崩壊を捉えるために、NA62実験チームは高度な技術と創意工夫を駆使した。CERNのスーパープロトンシンクロトロンから発生する高強度陽子ビームを固定標的に衝突させ、毎秒約10億個の二次粒子を生成。これらの粒子の約6%が正電荷カオンだ。NA62検出器は、K中間子の崩壊生成物を精密に検出し、ニュートリノを除くすべての粒子を同定・測定する。ニュートリノの存在は、消失したエネルギーから推測される。
Birmingham大学の粒子物理学教授Cristina Lazzeroni氏は、この現象の稀少性について次のように説明する。「K中間子とパイ中間子はクォークを含む粒子です。クォークには異なる種類（アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップ）があり、これをフレーバーと呼びます。この崩壊の稀少性は、Zボゾンを介してクォークのフレーバーが変化し、パイ中間子とニュートリノを生成するという複雑なプロセスに起因しています」。
NA62実験のデータ分析リーダーJoel Swallow氏は、この観測の困難さを強調する。「この測定は、100億回のK+崩壊の中から1回の信号を特定し、それが他の9,999,999,999回の崩壊ではないことを確認する必要があります。NA62チーム全体の努力によって、この不可能とも思える結果を可能にしたのです」。
標準模型を超える新物理の兆候？
NA62チームが2016年から2022年にかけて収集したデータを分析した結果、K+→π+νν崩壊の割合は13.0 +3.3 -2.9 × 10-11と測定された。これは相対精度25%で、K+→π+νν崩壊の最も精密な測定結果となった。
興味深いことに、この結果は標準模型の予測値よりも約50%大きいものの、全体の不確実性を考慮すると、まだ標準模型と矛盾しない範囲内にある。この微妙な差異が、物理学者たちの興奮を掻き立てている。
NA62実験の物理学コーディネーターKarim Massri氏は、「この崩壊に新しい物理の兆候を探すにはさらなるデータが必要ですが、この結果は大きな前進であり、この研究方向への強い興味をさらに強化するものです」と述べている。
University of Birmingham物理学教授Evgueni Goudzovski氏は、この結果の重要性を次のように説明する。「この特定の崩壊は、標準模型で非常に精密に予測されています。そして、標準模型を超える新しい物理を予測する多様な理論モデルに敏感です。したがって、もし標準模型からの逸脱を測定できれば、それは新しい物理の明確な兆候となります」。
物理学の新たな地平線が開かれるか
NA62実験は現在も継続してデータを収集しており、研究者たちは今後数年以内に、この崩壊過程に新しい物理が影響しているかどうかを確認または除外できると期待している。
現時点では、NA62の測定結果は標準模型と約2シグマの範囲で一致しているが、50%高い実験値は新しい物理の存在を示唆する可能性がある。Lazzeroni氏は、「将来も不一致が残る場合、それは新しい媒介粒子の存在を示唆する可能性があります。考えられるものとしては、Z’粒子やレプトクォークなどがあります」と述べている。
この画期的な観測結果は、粒子物理学の未来に大きな影響を与える可能性がある。標準模型を超える新しい物理の発見は、宇宙の構造と進化に関する我々の理解を根本から変える可能性がある。
NA62実験の成功は、高度な技術と粘り強い努力の賜物であり、人類の知識の限界を押し広げる科学の力を示している。今後の研究の進展により、物理学の新たな地平線が開かれることが期待される。
参考文献
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