物理学者は常に、宇宙に対する理解を向上させ、大きな未解決問題を解決するための新しい理論を探求している。
しかし、問題がある。未発見の力や粒子がどのようなものかわからない時に、どうやってそれらを探せばよいのだろうか？
ダークマターを例に取ろう。この神秘的な宇宙現象の兆候は宇宙全体で見られるが、それは一体何でできているのだろうか？それが何であれ、何が起こっているのかを理解するには新しい物理学が必要である。
本日発表された新しい実験結果と、それに付随する新しい理論計算のおかげで、この新しい物理学がどのようなものであるべきかについてのアイデア、そしてダークマターに関する手がかりさえも得られるかもしれない。
ミューオンとの出会い
20年間、新しい物理学の最も有望な兆候の一つは、ミューオンと呼ばれる粒子の磁性における微小な不一致であった。ミューオンは電子によく似ているが、はるかに重い。
ミューオンは、宇宙線（宇宙からの高エネルギー粒子）が地球の大気に衝突する際に生成される。これらのミューオンの約50個が毎秒あなたの体を通過している。
ミューオンはX線よりもはるかによく固体物質を通過するため、大きな構造物の内部を調べるのに有用である。例えば、エジプトやメキシコのピラミッドの隠された部屋を探すため、火山爆発を予測するために火山内部のマグマ室を研究するため、そしてメルトダウン後の福島原子炉の内部を安全に観察するために使用されている。
物理学の小さな亀裂？
2006年、米国のBrookhaven National Laboratoryの研究者たちは、ミューオンの磁性の強さを信じられないほど正確に測定した。
彼らの測定は、約100億分の6の精度であった。これは、積載された貨物列車の質量を10グラムまで測定することに相当する。これは同様に印象的な理論計算と比較された。
研究者たちが2つの数値を比較した時、理論と実験との間に一致しないことを示す小さいが有意な差を発見した。彼らはついに探していた新しい物理学を見つけたのだろうか？
より良い実験
決定的な答えを見つけるため、国際科学コミュニティは両方の結果の精度を向上させる20年間のプログラムを開始した。
元の実験の巨大な電磁石は台船に積まれ、米国東海岸を下り、ミシシッピ川を上ってChicagoまで運ばれた。そこで、完全に改良された実験のためにFermilabに設置された。
今朝、研究者たちはその実験を完了したと発表した。ミューオンの磁性の強さに関する彼らの最終結果は、100億分の1.5で、4.4倍精密である。
そして、より良い計算
歩調を合わせるため、理論家たちも大幅な改善を行わなければならなかった。彼らは、正確な理論予測を行うことに専念する100人以上の科学者による国際協力であるMuon g-2 Theory Initiativeを結成した。
彼らは、10,000以上の要因からミューオンの磁性への寄与を計算した。2012年に発見されたヒッグス粒子と呼ばれる粒子さえも含めた。
しかし、最後の難問が一つあった：宇宙の4つの基本的な力の一つである強い核力である。特に、強い核力からの結果への最大の寄与を計算することは容易ではなかった。
反物質対スーパーコンピュータ
この寄与を他のものと同じ方法で計算することは不可能であったため、異なるアプローチが必要であった。
2020年、Theory Initiativeは電子とその反物質の対応物である陽電子との衝突に目を向けた。これらの電子-陽電子衝突の測定により、必要な欠けている値が提供された。
他のすべての部分と合わせることで、最新の実験測定と強く矛盾する結果が得られた。この不一致は、新しい物理学の発見を発表するのにほぼ十分なほど強いものであった。
High-Performance Computing Center StuttgartのHawkスーパーコンピュータで実行されたシミュレーションが、計算と実験の間の食い違いを解決した。Marijan Murat/picture alliance via Getty Images
同時に、私は異なるアプローチを探求していた。Budapest-Marseille-Wuppertal collaborationの同僚たちと共に、この強い寄与のスーパーコンピュータシミュレーションを実行した。
我々の結果は、理論と実験の間の緊張を解消した。しかし、今度は新しい緊張が生まれた：我々のシミュレーションと、20年間の精査に耐えてきた電子-陽電子結果の間での緊張である。どうしてこれらの20年前の結果が間違っているのだろうか？
新しい物理学の兆候が消失
それ以来、他の2つのグループが我々の結果と一致する完全なシミュレーションを作成し、さらに多くのグループが我々の結果の一部を検証した。我々はまた、精度をほぼ倍増させる新しい、全面的に改良されたシミュレーションも作成した（査読や科学雑誌への掲載はまだされていないプレプリントとして公開）。
これらの新しいシミュレーションが先入観に影響されないことを確実にするため、それらは「ブラインド」で実行された。シミュレーションデータは解析前に未知の数で乗算されたため、「良い」結果や「悪い」結果が何であるかわからなかった。
その後、神経をすり減らすような、しかし興奮する会議を開催した。ブラインド化係数が明かされ、何年もの作業の結果を一度に知ることとなった。これらすべての後、我々の最新の結果は、ミューオンの磁性の実験測定とさらによく一致した。
しかし、他の問題が浮上
Muon g-2 Theory Initiativeは、公式予測で電子-陽電子データの代わりにシミュレーション結果を使用するようになり、新しい物理学の兆候は消えたようである。
しかし…なぜ電子-陽電子データは矛盾するのだろうか？世界中の物理学者がこの問題を広範囲に研究しており、一つの興味深い提案は「ダークフォトン」と呼ばれる仮想粒子である。
ダークフォトンは、最新のミューオン結果と電子-陽電子実験の間の差異を説明できるだけでなく、（もし存在するなら）ダークマターが通常の物質とどのように関係するかも説明できるかもしれない。
