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標準模型の崩壊-小さな粒子のぐらつきは、既知の物理法則に違反しています

だから待望の瞬間が来ました-これについて今週、科学者たちは、科学に知られていない素粒子の存在とそれらの間の相互作用を発表しました。これらは、宇宙の性質と進化に不可欠です。私たちの常連の読者は、小さな亜原子粒子が既知の物理法則に従わないように見えるという証拠が最近増えていることをおそらく知っているでしょう。この記事で説明する新しい発見は、宇宙の理解における未知への扉を開きます。ツイッターのアメリカの理論物理学者ミチオ・カクによると、結果は、ミューオン(宇宙線に見られる)と電子(同一であるはずです)が異なる特性を持っているように見えることを示しています。これは、「新しい素粒子を含む、より高度な物理理論」の存在の証拠であると同時に、弦理論の確認でもあります。それでも、すべての科学者がそれほど楽観的であるわけではありません。

NationalAcceleratorのミューオンリングg-2エンリコフェルミ(フェルミラボ、米国)にちなんで名付けられた研究所は、華氏マイナス450度の温度で動作し、磁場を通過するときのミューオンの振動を研究しています。

内容

  • 1さようなら標準モデル?
  • 2ミューオンとは
  • 3物理学者がどのようにして異常を発見したか
  • 4新しい物理学

さようなら標準模型?

1つの新しい発見が現代物理学にとっておそらく最も重要であるという事実は、世界中のすべてのメディアによって書かれています。それでも、ミューオンとして知られている粒子を使った実験は、 科学には未知の物質とエネルギーの形態があります..。宇宙を構成する基本的な粒子と力を説明することに驚くべき成功を収めたにもかかわらず、標準模型の説明はひどく不完全なままです。

第一に、それは重力を考慮に入れておらず、正確に暗黒物質、暗黒エネルギー、ニュートリノの質量の性質についても沈黙しています。これらの現象などを説明するために、科学者たちは新しい物理学(標準模型を超える物理学)を探し、実験結果が理論的予測とは異なる異常を調査しました。

ミューオンとは

ミューオン 不安定な素粒子です負の電荷。電子に似ていますが、はるかに重いです。それは空間の不可欠な要素です。研究者たちは、これらの基本的な粒子は、自分の軸の周りを回転する小さな磁石であると述べています。

NationalAcceleratorの研究者Muong-2実験の過程でEnricoFermi Laboratories(Fermilab、USA)は、磁場を通過するときの磁気ミューオンの振動の正確な測定値を取得したいと考えていました。これらの粒子の磁気モーメントの実験値が理論的予測(異常)と異なる場合、この偏差は、ミューオンが微妙で未知の粒子または力の影響を受ける新しい物理学の兆候である可能性があります。

「これは私たちのローバー着陸の瞬間です」と、研究が行われているフェルミ国立加速器研究所の物理学者であるクリス・ポリーはニューヨークタイムズに語った。

最近更新された実験値フィジカルレビューレターに掲載されているミューオンの場合、理論からの逸脱はごくわずか(0.00000000251)であり、統計的有意性は4.2シグマです。科学者は完全な自信を得るために5シグマを達成する必要があります。しかし、このわずかな量でさえ 素粒子物理学の方向を劇的に変えることができます

Scientific Americanによると、シグマの統計的有意性については、研究者はまだ発見したとは言えません。しかし、ジュネーブ近くのCERNでのBeauty Large Hadron Collider(LHCb)実験で最近観察された異常と相まって、ミューオンの新しい物理学の証拠は印象的で挑発的です。この発見の詳細については、資料をご覧ください。

物理学者が異常を発見した方法

各ミューオンを小さなものとして想像してくださいアナログ時計。粒子が磁石を周回すると、その時針は標準模型で予測された速度で回転します。ミューオンが期限切れになると、陽電子に崩壊し、時計回りに放出されます。しかし、この矢印が理論上の矢印とは異なる速度で回転する場合(たとえば、速すぎる場合)、陽電子の崩壊はわずかに異なる方向を指すことになります。 (このアナロジーでは、時針はミューオンのスピン、ミューオンの崩壊の方向を決定する量子特性に対応します。)十分な偏向陽電子を見つけると、異常が発生します。

ミューオンが空間を移動するとき、その空間は実際には、現れたり消えたりする可能性のある無限の数の仮想粒子のシューという音と群がるスープです。

フェルミラボのMC-1ビルにあるmuong-2粒子ストレージリング。

ただし、この異常が意味するのはあいまいです。おそらく、標準模型では何かが考慮されておらず、それは電子とミューオンの違いである可能性があります。または、現在は小さすぎて見えない電子でも同様の効果が見られます。粒子の質量は、より重い未知の粒子と相互作用できる量に関連しているため、質量が電子の質量の約200倍であるミューオンははるかに敏感であることを思い出してください。

科学者はまた、得られた測定値は偶然に40,000分の1に等しい可能性があります。これは、物理学の基準による公式の発見に必要なゴールドスタンダードよりも大幅に少なく、研究者によって得られた結果は、ミューオン実験は、今後数年間で収集される予定です。

参照:科学者は宇宙が存在する理由を理解する

新しい物理学

フェルミラボの研究者によるセンセーショナルな発見は標準模型の外にあるかもしれないものを理解する上で重要なリンクですが、新しい物理学を探求する理論家にとって無限の空間はありません。ミューオン実験の結果を説明しようとする理論は、CERNのLHCでの研究中に新しい粒子が存在しないことも考慮に入れる必要があります。

2013年のミューオンリングg-2の検査。

興味深いことに、提案されたいくつかの今日の理論宇宙には、標準模型に含まれているものだけでなく、いくつかのタイプのヒッグス粒子が含まれています。他の理論は、ミューオンと他の粒子との間に新しい種類の相互作用を引き起こすエキゾチックな「レプトクォーク」を引用しています。しかし、これらの理論の最も単純なバージョンの多くはすでに除外されているため、物理学者は「型破りな方法で考える必要があります」とナショナルジオグラフィックは書いています。

ただし、Fermilabと同様に、LHCb実験では、新しい発見を主張する前に、より多くのデータが必要です。しかし今でも、これら2つの結果の組み合わせにより、物理学者はよく眠れません。

この研究の方向性における次のステップは得られた結果を繰り返します。フェルミラボの調査結果は、2018年半ばに終了した実験の最初の実行に基づいています。チームは現在、2つの追加の打ち上げからのデータを分析しています。このデータが最初の打ち上げ時に得られたデータと類似している場合、2023年末までに異常を本格的に発見するのに十分である可能性があります。

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物理学者も精査し始めました特に計算が難しいことが知られている場所での標準モデルの予測。新しいスーパーコンピューターもこの困難な取り組みに役立つはずですが、これらの微妙な違いをふるいにかけ、それらが新しい物理学の探求にどのように影響するかを確認するには、まだ何年もかかります。

理論物理学者の角道夫氏は、Twitterで最新の発見についての考えを共有しました。

また、最後までの反応に注意することを忘れることはできませんTwitterで有名な理論物理学者の発見。たとえば、角道夫は、得られた結果が弦理論の確認にも役立つと信じています。弦理論が理論物理学の最大の希望の1つになり、その後長期的な衰退に陥った経緯について、この記事で説明しました。読むことをお勧めします。