希少なカオンの崩壊が新しい物理学への鍵を握る可能性

CERNでの画期的な実験により、素粒子物理学者たちは標準模型を超える新しい物理を発見する一歩手前まで来ている。バーミンガム大学のクリスティーナ・ラッツェローニを含む研究者チームが率いるNA62実験は、科学者たちが長い間目撃したいと思っていた珍しい粒子崩壊現象の観測と測定に成功した。その現象とは？荷電カオンの荷電パイ中間子、ニュートリノ、反ニュートリノへの崩壊である。
NA62チームは10年以上にわたって、この特定の崩壊に焦点を絞ってきた。この崩壊を特別なものにしているのは、その極めて稀な現象であるだけでなく、宇宙の基本的な粒子や力がどのように振る舞うかを説明する現在の最良の理論である「標準模型」によって正確に予測されているからである。しかし素粒子物理学では、稀少性こそが、ある崩壊過程を新しい物理学を探る上で非常に貴重なものにしている。標準模型の予測からのわずかなずれでさえ、物理学の未知の領域への扉を開く可能性があるのだ。
パイ中間子とニュートリノ・反中性子のペアになるこの稀なカオン崩壊は、1000億回のカオン崩壊のうち13回程度しか起こらないが、新しい物理学に対する高感度なテストとなる。しかし、この事象を最高の精度で確認するためには、物理学者たちが数え切れないほどの粒子衝突を選別し、何年にもわたるデータ収集と分析が必要であった。ラッツェローニが言ったように、実験物理学におけるこの画期的な出来事は、驚くべきチームワークと長年の献身的努力の結果なのである。

カオン基本的な力を覗く窓
この実験の中核をなす粒子であるカオンは、素粒子の中でも魅惑的なクラスである。クォークと反クォークが結合したもので、文字通り奇妙な振る舞いをすることで知られる一族に属する。このユニークな性質は、異なるタイプのクォーク（フレーバー）が強い力のもとでどのように振る舞うかを理解する上で非常に貴重である。
NA62実験は、高エネルギーの陽子をベリリウム標的に発射し、粒子の二次ビームを生成することでカオンを生成する。これらの粒子の約6％がカオンであるが、これらの粒子は崩壊するまでのわずか1億分の1秒しか存在しないはかないものである。ほとんどのカオンはミューオンとニュートリノに崩壊するが、この信じられないほど稀な事象では、カオンはパイ中間子、ニュートリノ、反ニュートリノに崩壊する。
この崩壊を検出するのは非常に難しい。この実験では、ニュートリノや反ニュートリノを捕らえようとはしない。ニュートリノや反ニュートリノは生成されるとほとんどすぐに消滅してしまうからだ。その代わりに、この稀なカオンの崩壊が起こったことを示すサインとして、荷電粒子であるパイ中間子を見つけることに集中する。

新しい物理学への道
この崩壊チャネルの測定に必要な希少性と精度は、標準模型を検証するための強力なツールとなる。NA62の現在の結果は、1000億分の8.4という標準模型の予測よりわずかに高い崩壊数を示しているが、それでも許容できる不確かさの限界の範囲内である。今のところ、これらの結果は標準模型と一致している。しかし、ラゼローニが説明するように、標準模型はその成功にもかかわらず、ダークマターや宇宙の物質と反物質の不均衡など、いくつかの宇宙の謎を説明することはできない。
NA62チームが今後3年間、より多くのデータを収集することで、標準模型の予測からのずれを発見することが期待されている。たとえ小さな食い違いであっても、宇宙に対する我々の理解を根本的に変えるかもしれない新しい粒子や力の存在を示すかもしれないのだ。
ラッツェローニと彼女のチームは楽観的である。標準模型はこれまでのところ、観測結果を予測するのに非常に優れているが、欠点があることもわかっている。しかし、一般的に言えば、我々は新しい粒子や力が存在することを期待している；
NA62の結果は、いつか宇宙最大の謎のいくつかを解くための重要な手がかりを与えてくれるかもしれない。まだ新しい物理学は出てきていないが、NA62実験がこうした未知の領域を探っているという事実は、未来を信じられないほど有望なものにしている。より多くのデータを手にした研究チームは、この稀な崩壊が現代物理学を再構築しうる新たな力や粒子の発見を指し示しているのかどうか、間もなく明らかにするかもしれない。
研究チームは最近、CERNのセミナーでこの発見を発表し、通常のカオンの崩壊における異常な現象を探求する上で重要なマイルストーンとなった。今後数年間は、さらに多くのデータを収集し、新しい物理学の可能性に近づくための極めて重要な年となるだろう。

素粒子物理学の新章？
ラッツェローニのチームによる今回の成果は、素粒子物理学における重要な一歩であり、宇宙を理解するための新たなフロンティアを提供するものである。現在進行中の実験と継続的なデータ収集によって、科学者たちは、我々の最も深い科学的仮定を覆すような現象を発見する寸前まで来ているのかもしれない。
新しい物理学が見つかるかもしれないというワクワクするような可能性が、この分野に活力を与えており、CERNのNA62実験はその最前線にいる。なんと素晴らしくエキサイティングなことだろう！