数十億回の粒子崩壊に潜む一瞬の信号
CERNのLHCb実験は、2024年と2025年に収集した衝突データを用い、中性B中間子が2個のミューオンに崩壊する極めてまれな過程について、単独の実験として初めて証拠を報告した。過去の測定結果と合わせると、信号の統計的有意性は標準偏差3.2に達した。証拠と認められる水準だが、物理学者が発見と呼ぶために求める基準には届いていない。
目次
この結果は2026年、LHCb共同研究グループが11月3日に発表したもので、1984年に始まった探索を前進させるものだ。この崩壊はB0 → μ+μ−、またはBd → μ+μ−と表記される。ボトムクォークまたはその反粒子を含む粒子が、ミューオンとその反粒子へと変化する。
既知の素粒子とその相互作用を記述する理論である標準模型は、B0中間子が100億個崩壊するごとに、こうした崩壊が約1回起きると予測している。この極端な希少性が、この過程を有用なものにしている。未発見の粒子があれば崩壊確率が変化し、高精度の実験で検出できる可能性がある。
LHCbはまた、関連する崩壊過程Bs0 → μ+μ−について、確率と有効寿命をこれまでで最も高い精度で測定したと報告した。いずれの結果も標準模型と一致している。これらの結果を組み合わせることで、既知の粒子を超える粒子を提唱する理論を、より厳密に検証できるようになる。
何が消えていくのか
B中間子は、クォークと反クォークからなる短寿命の粒子だ。B0とBs0は同じ仲間に属するが、軽いクォークの種類が異なる。一方はダウンクォーク、もう一方はストレンジクォークを含む。この構成の違いによって、ミューオン対を生み出す頻度も変わる。
ミューオンは電子に似た素粒子だが、より重い。この崩壊で生じる2個のミューオンは、互いに反対の電荷を持つ。研究者はその飛跡を探し、測定した特性を使って、ミューオンを生み出した粒子の質量を再構成する。
標準模型は、Bs0の崩壊が10億回あたり約3回起きると予測している。これはB0の過程より約30倍多い。分岐比と呼ばれるこの確率は、特定の種類の中間子のうち、ある崩壊経路をたどる割合を示す。B中間子の大半は別の経路で崩壊するため、目的の信号ははるかに多くの粒子の中に埋もれてしまう。
なぜ「証拠」と呼ばれるのか
LHCbは、2024年と2025年のデータだけで標準偏差3の有意性を得た。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の過去の運転期間であるRun 1とRun 2のデータを加えると、この値は3.2に上昇した。
統計的有意性は、背景事象だけで説明する場合と比べて、データが信号をどれほど強く支持するかを測る指標だ。値が大きいほど、背景の偶然の揺らぎによって同等以上に際立った結果が生じる可能性は低い。素粒子物理学では一般に、標準偏差3を証拠、5を発見と呼ぶ基準としている。
共同研究グループの表現は意図的に限定されている。これは、B0 → μ+μ−について単独の実験が初めて報告した証拠だ。LHCbとCMSの共同解析は2015年にすでに証拠を報告していたが、その後の解析では当時の兆候は確認されなかった。
今回の測定は、新たなデータセットによって探索を再び証拠の基準以上へ押し上げた。次の統計的目標は標準偏差5だ。LHCbは達成時期を示していない。
1984年から2026年まで続く探索
研究者は、複数世代の実験を通じて、これらの希少崩壊を追ってきた。より頻繁に起きるBs0の過程が先に発見の基準に達し、より難しいB0の探索の土台となった。
- 1984年：B0 → μ+μ−の探索が始まる。
- 2012年11月：LHCbがBs0 → μ+μ−について、標準偏差3.5の証拠を報告。
- 2015年5月：LHCbとCMSの共同解析が、標準偏差6.2でBs0の崩壊を発見し、B0の崩壊についても初期的な兆候を報告。
- 2017年2月：LHCb単独で、標準偏差7.8でBs0の崩壊を発見。
- 2018年までに収集されたデータを用いたその後の解析では、B0について以前報告された兆候は確認されなかった。
- 2024年と2025年：LHCbが最新の解析に用いた新たなデータを収集。
- 2026年11月3日：LHCbが新しいデータで標準偏差3、過去の運転期間のデータとの統合で3.2となるB0崩壊の証拠を発表。
こうした経緯は、研究者が「証拠」と「発見」を慎重に区別する理由を示している。有望な信号にはさらなるデータが必要であり、その後の測定によって確度が高まることもあれば、認められた基準を下回ることもある。
検出器はいかにしてミューオン対を見つけるのか
アップグレードされたLHCb検出器は、2010～2018年に達成した約5倍の速度でデータを収集する。B0の崩壊100億回に1回しか起きないと予測される過程では、解析に使える衝突をより多く記録することが不可欠だ。
VELOの通称で知られる頂点検出器は、粒子が生まれた場所と崩壊した場所の特定に役立つ。リバプール大学が組み立てたこの検出器は、LHCのビームからわずか5ミリの位置で稼働する。高精度の飛跡測定によって、1秒にも満たないごく短い間しか存在しない粒子の崩壊点を特定できる。
機械学習は、有望なミューオン対と、似た飛跡や粒子の組み合わせを生み出す多数の背景事象を見分けるのに役立つ。その後、研究者は各ペアの不変質量を調べる。不変質量はミューオンのエネルギーと運動量から計算され、親粒子の質量を特定できる量だ。
質量分布には、Bs0の崩壊による明瞭な寄与と、それより低いB0の質量に対応する小さな寄与が現れる。LHCbは背景事象とともにこれらの信号をフィットし、それぞれの崩壊が何件含まれるかを推定する。
LHCbによると、B0の生成数が多いことは有利に働く。衝突型加速器では、Bs0中間子1個に対してB0中間子が約4個生成される。B0が2個のミューオンに崩壊する確率は約30分の1だが、生成数が多いため、事象数の予想上の差は約7倍に縮まる。この比較から、十分に大きなデータセットがあれば、より希少な過程も検出可能になる理由が分かる。
未知の粒子について、この結果が示すこと
標準模型は、両方の崩壊確率を高い精度で予測する。標準模型を拡張する理論は、崩壊過程に影響を与える粒子を導入することで予測を変えることがある。そうした粒子は、検出器で見える形で直接生成されなくても影響を及ぼし得る。
LHCbは、追加のヒッグス粒子、Z′ベクトル粒子、レプトクォークを例に挙げている。これらは、理論のさまざまな拡張で提案されている粒子だ。こうした粒子が影響を及ぼす可能性があるため、希少崩壊は、個々の衝突実験で直接到達できる範囲を超えるエネルギーの物理を間接的に探る手段となる。
実験を運用し、今回の解析を実施したLHCb共同研究グループは、最新の測定結果について次のように述べた。
本日発表した結果は標準模型と一致しており、これらの新しいモデルが成立し得るパラメーター領域を、さらに正確に絞り込むものです
実際には、提案されている粒子の質量と相互作用の強さの組み合わせのうち、実験と両立するものが絞られる。2つの分岐比を共同で解析したLHCbの結果では、標準模型の予測値は68.27％信頼区間に入っている。この範囲は測定の不確かさを表す。
寿命の測定がもう一つの検証になる理由
LHCbは、ミューオン対に崩壊するBs0中間子の有効寿命も測定した。Run 1、Run 2、Run 3のデータを組み合わせた結果は1.60 ± 0.16 ± 0.01ピコ秒で、標準模型の予測と一致した。
1ピコ秒は1兆分の1秒だ。最初の誤差は測定の統計的な限界を示し、2つ目は測定方法に伴う系統的な影響を表す。統計誤差の方がはるかに大きく、追加データが有用である理由を示している。
有効寿命は、選び出したBs0の試料がどのような時間分布で崩壊するかを示す。標準模型を拡張する理論の中には、2個のミューオンを生み出す全体の確率をほとんど変えずに、崩壊の時間分布を変えるものもある。したがって、頻度とタイミングの両方を測定すれば、崩壊数だけを数えるより多くの可能性を検証できる。
B0とBs0の分岐比の比も、別の比較材料となる。提案されている理論は、それぞれの崩壊率だけでなく、2つの過程の関係も説明しなければならない。LHCbの最新結果は、こうした個別の検証を一つの解析にまとめている。
極小スケールの研究、その次へ
LHCbは新たな結果を論文として発表するため投稿し、共同研究グループと理論物理学者が参加するワークショップの冒頭に開かれたCERNのセミナーで発表した。実験面での当面の課題は、B0の信号を発見の基準に近づけ、その確率をより高精度に測定できるだけの追加データを集めることだ。
共同研究グループによると、次の10年の半ばに予定されるLHCbのさらなるアップグレードで、データ収集率はさらに1桁、つまり約10倍向上する可能性がある。これにより、2つの希少崩壊を用いた、より厳密な検証が可能になる。
ゼプト宇宙（Zeptoverse）という言葉は、このような高精度測定を通じて研究者が調べようとしている極小の距離を表す。ゼプトメートルは、10億分の1メートルのさらに10億分の1を意味する。希少崩壊は、極小距離や高エネルギーに関わる現象を間接的に調べる手段となる。
暗黒物質や、宇宙で反物質より物質が多く残った起源は、標準模型を超える物理を探す幅広い動機となっている。今回発表された成果は、より限定的で具体的だ。既存の理論が予測する希少崩壊が証拠の基準に達し、測定された振る舞いによって、提案されている代替理論に対する制約がさらに厳しくなった。
要点
- LHCbは、1984年に始まった探索を経て、B0 → μ+μ−について単独の実験として初めて証拠を報告した。
- 2024年と2025年のデータでは標準偏差3に達し、過去の運転期間のデータを加えると有意性は3.2となる。
- 標準模型は、B0が100億回崩壊するごとに約1回、この崩壊が起きると予測している。
- 新たな崩壊測定は標準模型と一致し、追加粒子について許される可能性を絞り込んだ。
- LHCbは、関連するBs0崩壊の有効寿命を1.60 ± 0.16 ± 0.01ピコ秒と測定した。
- B0崩壊の発見には、標準偏差5が目標として残されている。
