40 年以上の探索を経て、CERN の物理学者たちは、既知の最も稀な粒子崩壊の 1 つを探す大きなマイルストーンに到達しました。 LHCb実験に協力している研究者らは、約100億回の美容粒子の崩壊に一度だけ起こると予想されるプロセスの証拠を検出した。
CERNのセミナー中に発表されたこの発見は、単一の実験によってこの非常にまれな現象について十分な証拠が得られたのは初めてである。この崩壊は、その希少性を超えて、科学者が大型ハドロン衝突型加速器で直接生成するには大きすぎる粒子を調査するのに役立つ可能性があるため、特に価値があります。
発見の中心にはBと呼ばれる粒子があるdビューティークォークとダウンアンチクォークが含まれています。科学者たちは、この粒子が一対のミュー粒子に崩壊する可能性があるという証拠を発見しました（メートル+メートル–）。ミューオンは電子に似ていますが、質量が大きくなります。この結果は、基本粒子とその相互作用を記述する有力な理論である標準模型の予測と一致しており、それを超えた新しい粒子の可能性を狭めるのに役立ちます。
希少粒子の崩壊が新しい物理学を明らかにできる理由
物理学者がこれらの異常な崩壊に非常に興味を持っている理由の 1 つは、量子効果によって他の粒子がその発生方法に影響を与えることができるためです。大型ハドロン衝突型加速器で生成するには重すぎる粒子であっても、これらのプロセスの速度に微妙な痕跡を残す可能性があります。
非常にまれな崩壊を高精度で測定することにより、研究者は実験結果と理論的予測の違いを探すことができます。このような不一致は、これまで知られていなかった粒子の間接的な証拠を提供する可能性があります。一般に、崩壊が稀であるほど、これらの隠れた影響に対してより敏感になる可能性があります。
Bとして知られる崩壊d → メートル+メートル–物理学者は、標準模型を超えた物理学を研究するための「ゴールデン チャネル」と長年考えてきた特別なカテゴリに属します。この過程で、ビューティークォークと反対の電荷を持つ反クォークが互いに消滅します。それらのエネルギーはミューオンとその反粒子に変換されます。
科学者たちは以前、Bと呼ばれる別の美容粒子が関与する関連プロセスを観察しました。s。 2015 年、LHCb と CMS の協力による共同分析により、B の最初の確認された観察が報告されました。s → メートル+メートル–はるかに珍しいBの最初の証拠とともにd 減衰。
しかし、2018 年までに収集されたデータを組み込んだその後の分析では、B に関する以前の証拠を確認できませんでした。d → メートル+メートル–。レアリティの差は大きい。 Bs 美容粒子の崩壊は 10 億回あたり約 3 回起こりますが、Bd このプロセスの発生頻度は約 30 分の 1 に減少すると予測されます。
アップグレードされた CERN 検出器によりブレークスルーが可能に
LHCb 実験の大幅な改善により、研究者はこのような稀な現象を検出するという大きな困難を克服することができました。
大規模なアップグレードに続き、実験は 2010 年から 2018 年の間に達成された速度の 5 倍の速度で 2024 年にデータ収集を開始しました。アップグレードされた検出器は、さまざまな種類の粒子の識別能力も向上し、研究者は衝突中に生じる活動をより明確に把握できるようになりました。
チームはこれらの改善を機械学習技術と組み合わせて、他の膨大な数の粒子プロセスから非常にまれな信号を区別しました。これらの進歩がなければ、科学者が研究したかった出来事は背景に圧倒されてしまっていたでしょう。
「物理学者たちはこの崩壊を40年以上追跡してきた」と19人の科学者からなる国際分析チームの共同リーダーであるマルコ・サンティマリア氏は語った。 「圧倒的なバックグラウンドからミュオンを選び出すには、極めて高い精度が必要です。」
40年にわたる捜索でついに強力な証拠が見つかる
素粒子物理学では、科学者は標準偏差と呼ばれる統計的尺度を使用して、見かけの信号が本物の物理プロセスではなくランダムな変動から生じる可能性を評価します。
新しい現象の証拠として認定されるには、結果が 3 標準偏差に達する必要があります。そのレベルでは、ランダムな変動が少なくとも統計的に極端な信号を生成する確率は約 0.3% です。
2024 年と 2025 年に収集されたデータを使用して、LHCb 研究者らは B の証拠を特定しました。d → メートル+メートル– 3.0標準偏差の有意性で。これらの測定値と 2011 年から 2018 年の間に収集された以前のデータを組み合わせたところ、統計的有意性は 3.2 標準偏差に増加し、広く受け入れられている証拠の閾値を超えました。
同じ調査により、関連する B についてこれまでに得られた最も正確な測定値も得られました。s → メートル+メートル–減衰し、これらの非常に珍しいプロセスに関する追加情報を提供します。
新しい発見は大きな成果であるが、物理学者はまだ観測が確認されたと宣言するのに必要な基準に達していない。そのマイルストーンには 5 標準偏差の有意性が必要です。
今後の測定でそのレベルの確実性が達成された場合、Bd → メートル+メートル–これまで観察された中で最も稀な美粒子の崩壊となるだろう。
将来の大型ハドロン衝突型加速器のアップグレードにより、隠れた粒子が発見される可能性がある
研究者らは、大型ハドロン衝突型加速器の今後の改良により、これらの測定がさらに強力になると期待しています。
HiLumi LHC としても知られる高輝度 LHC は、2030 年に運用を開始する予定です。LHCb 実験への別の大規模なアップグレードが次の 10 年半ばに計画されています。これらの開発を組み合わせることで、最終的には実験のデータ収集率がさらに 10 倍増加する可能性があります。
はるかに大規模なデータセットを収集すれば、物理学者はこれらの非常にまれな崩壊をより多く検出し、その特性をより正確に測定できるようになります。この感度の向上により、既存の加速器が直接到達できない粒子に関連する微妙な影響を識別できるようになる可能性があります。
「この稀な崩壊の証拠を見ることは信じられないほどエキサイティングであり、LHCの直接の到達範囲を超えて探査する新たな可能性が開かれます」とLHCbの稀な崩壊の招集者兼分析共同責任者のハリー・クリフ氏は説明した。
「将来のLHCbのアップグレードにより、これらの崩壊をさらに多く観察できるようになり、未発見の粒子に対する感度がさらに高まるでしょう。」
この捉えどころのない信号を40年以上追求してきた物理学者にとって、新たな証拠は待望の進歩を意味する。また、素粒子物理学の既知の法則が、より大きな全体像の一部であるかどうかを調査するための有望な方法も提供します。
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