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標準モデルの亀裂を探るBelle II実験

Nature ダイジェスト Vol. 15 No. 4 | doi : 10.1038/ndigest.2018.180410

原文:Nature (2018-01-18) | doi: 10.1038/d41586-018-00162-x | Revamped collider hunts for cracks in the fundamental theory of physics

Elizabeth Gibney

高エネルギー加速器研究機構(KEK)のBelle II実験が、標準モデルでは説明できない「新しい物理」の探求を開始する。

高エネルギー加速器研究機構のBelle II測定器。 | 拡大する

KEK/BELLE II

物理学のフロンティアの新たな探究が日本で始まることを受け、研究者の間で期待が高まっている。世界有数の加速器研究所で、高エネルギー電子のビームを電子の反粒子である陽電子に衝突させる「Belle II(ベル・ツー)実験」が始まるのだ。実験の目的は、稀にしか起こらないが「標準モデル」を拡張する可能性のある、新しい現象の手掛かりをつかむことにある。標準モデルは物質と力について記述する物理学理論で、非常にうまく機能しているが、完全ではないとされている。

日本の高エネルギー加速器研究機構(KEK;茨城県つくば市)の衝突型加速器「スーパーKEKB(ケックビー)加速器」が、計画の第2期となる、本格稼働を開始した。ついに高精度のBelle II測定器を取り付けた状態での、電子と陽電子の衝突実験が始まるのだ。この実験は、B中間子の崩壊を高い精度で解明することを最終的な目標としている。B中間子は、自然界の基本的な構成要素の1つであるbクォーク(bは「beauty」または「bottom」を意味する)などからなる粒子だ。

Belle II実験では、欧州原子核共同研究機構(CERN;スイス・ジュネーブ近郊)の大型ハドロン衝突型加速器(LHC)の実験などで観測されたB中間子の崩壊過程について、より精密な測定を行う。KEKもCERNも、未知の粒子や過程が既知の粒子から別の粒子への崩壊過程に及ぼす、非常に小さな影響を探している(Nature ダイジェスト 2017年11月号「反物質研究の最前線」参照)。

LHCの物理学者たちは、標準モデルを揺るがす可能性のある興味深い兆候をすでにいくつか見つけており、最新のものは2017年に見つかっている(The LHCb collaboration et al. High Energ. Phys. 2017, 55;2017)。Belle II実験の広報担当者であるハワイ大学マノア校(米国)の物理学者Tom Browderによると、こうした結果が飛び交う状況に理論家の関心が刺激され、新たに数グループが国際共同チームに参加することになったという。

よりクリーンな衝突

KEKのBelle II実験での衝突は、LHCのLHCb実験での衝突よりもクリーンで厳密なものになると期待される。LHCb実験では3個のクォークからなる陽子同士をぶつけるため、衝突はごちゃごちゃとしたものになる。これに対してBelle II実験では、これ以上分解することができない基本的な粒子である電子と陽電子をぶつけるからだ。

Belle II実験では、LHCb実験では調べるのが困難な、捉えにくいニュートリノと光子が関わる崩壊を調べることができる。このため荷電ヒッグス粒子(2012年にLHCで発見されたヒッグス粒子の荷電粒子版)やアクシオン(物質とは非常に弱い相互作用しかしないと考えられている粒子で、暗黒物質候補の1つ)などの仮説的な粒子が存在する証拠探しの役に立つ、とBrowderは言う。「両実験が競争関係にあるのは確かですが、相補性もあるのです」。

Belle II実験に粒子を供給するスーパーKEKB加速器は、粒子ビームのサイズを直径約50nmまで絞り込むことができ、それによって粒子の衝突頻度を前身のKEKB加速器の40倍まで増やすことができる。この改良により、最近発見された4個のクォークからなるテトラクォークや5個のクォークからなるペンタクォークなどのエキゾチック粒子の領域を探り、bクォークの稀な崩壊の中から、反物質より物質の方が多く生成するような未知の過程を探すことが可能になる。物理学者はこの結果に基づき、1970年代から実験によって繰り返し確認されているものの、重力をはじめとする多くの謎を説明することができない標準モデルを超える、物理の興味深い兆候を探ることができる。

衝突実験では、1秒にも満たないわずかな時間しか存在できずに崩壊して他の粒子になる粒子が多数生成される。LHCb実験では、いくつかの崩壊反応(ある種のB中間子が、電子とその重い「いとこ」のようなミュー粒子とタウ粒子になる反応など)において、予想外の割合で生成される粒子が観察されている。

イタリアの国立核物理学研究所(フィレンツェ)の物理学者でLHCb実験の広報担当者であるGiovanni Passalevaは、一つ一つの発見は統計的なゆらぎとして容易に片付けることができるが、いくつも集まることで注目されるようになったと言う。これらの知見はほぼ同じ方向を指していて、SLAC国立加速器研究所(米国カリフォルニア州メンロパーク)のBaBar実験とKEKのBelle II実験の前に行われていたBelle実験でも同様の知見が得られている。「これらの『ずれ』の間には何らかの相関関係があるように見えるため、他の『ずれ』より興味深いのです」。

追い上げ計画

LHCb実験は2009年に始まっており、LHCから供給されるB中間子の数はBelle II実験がスーパーKEKBから供給されるB中間子の数より多い。Belle II実験は、そんなLHCb実験に追い付く必要がある。2019年初頭にBelle II実験の物理学プログラムが本格的に始動したら、約1年かけてLHCb実験に匹敵するデータを収集する。一方、LHCb実験は2018年5月から11月までデータを収集し、その後は改良工事のために長期にわたって閉鎖する。そのときまでに、信号のように見えるデータを否定するか、確固とした発見とするのに十分な数の崩壊を観測しているはずだ。「加速器と検出器を速やかに稼働させて、彼らに追い付くことができればいいと思っています」とBrowder。

LHCb実験とBelle II実験の競争により、どの崩壊過程が手掛かりとして有力であるかが明らかになるだろう、とBrowderは言う。しかしLHCb実験が最初に結果を出したとしても、Belle II実験が新しい物理を確認することは「絶対に必要」であるとPassalevaは言う。2つの異なる実験により確認されれば、物理学者が新しい相互作用の背景にあるものを明らかにし、実験誤差である可能性を否定することができるからだ。「全く異なる環境で行われる、全く異なる複数の実験で観察されたなら、その事象が本当に新しい物理であると確信することができます」と彼は言う。

(翻訳:三枝小夜子)

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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