存在しないはずの複合粒子「トッポニウム」の発見が示唆される！？

 

みなさんこんにちは！　サイエンスライターな妖精の時々VTuber彩恵りりだよ！

 

今回の解説の主題は、理論上存在しないと言われていた複合粒子「トッポニウム (Toponium)」を発見したかもしれない、という報告についてだよ。このトッポニウム、知られている最も重い素粒子である「トップクォーク」が結合した粒子なんだけど、存在しないはずのものが見つかったとしたらかなり驚きだよね！

 

元々の実験は、ヒッグス粒子の性質を持つ新しい素粒子の発見を目指していたんだけど、存在しないと言われていた複合粒子を発見した意味でも、これはこれでスゴい発見なんだよね！今のところ、この発見は確定している状態とは言えないので、まだ注意しないといけないけど、注目すべき発見だよ！

 

ただ、この話はなじみの薄い単語が多いと思うので、まずは色んな単語の説明や、実験の背景について少しずつ解説していくね！だから、今回の記事はちょっと長めになるよ！知っている部分は適宜読み飛ばしてね！

 

「ヒッグス粒子」は何種類ある？

 

2012年に発見され、翌年のノーベル物理学賞にもなった素粒子「ヒッグス粒子」は、様々な粒子が質量を持つ理由を説明する理論「ヒッグス機構」を示す物的証拠だよ。このヒッグス機構は、素粒子を説明する基盤的な理論である「標準模型」に組み込まれており、現在のところヒッグス粒子のような粒子は1種類だけが予言されているよ。

 

ただ、質量の出現にはヒッグス粒子が最低でも1種類必要なのは確かだけど、ヒッグス粒子は必ず1種類である、とまでは言い切れないんだよね。現在のところ、標準模型で予言された17種類^[注1]の素粒子は全て見つかったけど、標準模型には重力などの重要な要素が欠けているから、明らかにこれで完成しているとは言えないんだよね。

 

そこで物理学者は、標準模型を拡張した理論を作ろうとしているわけだけど、その拡張は必然的に未知の素粒子の存在を予言するよ。それら提案されている拡張理論の中では、ヒッグス粒子は発見済みの1種類だけではなく、実際には何種類もある^[注2]、という考えがあるんだよね。

 

ヒッグス粒子は実際には何種類あるのか？という疑問については、理論を完成させて確定させようという向きももちろんあるけど、論より証拠と言わんばかりに、実際に見つけてしまえばいいじゃないか！ということで、粒子加速器で発見することを試みる動きもあるんだよね。

 

 

CERN (欧州原子核研究機構) の大型ハドロン衝突型加速器「LHC」は、加速した陽子同士の衝突によって発生した無数の粒子から、目的の粒子を見つけることを試みているよ。そのLHCを使っている国際研究チームCMSコラボレーションは、同名の検出器「CMS (Compact Muon Solenoid)」を使った実験を行っているんだよね。

 

新たな種類のヒッグス粒子を見つけるのは、CMSの主目的の1つだよ。もし新しいヒッグス粒子があるとすれば、発見済みのヒッグス粒子より大きな質量を持つ事がほぼ確実なので、高いエネルギーの衝突実験を行っているよ。質量とエネルギーの等価性があるので、エネルギーを入れないとそもそも重い粒子は生成しないからね。

 

ただ、重い粒子は短い時間で壊れてしまうため、直接検出することはできないのよね。その代わりとして、崩壊によって生じる別の粒子の種類や運動量、飛んできた方向を測定することで、崩壊する前の粒子の性質を予測するんだよね。このような手法は素粒子物理学の基本的なやり方となるよ。

 

新粒子を「トップクォーク」とその反粒子とのペアから見つける

 

CMSコラボレーションは今回、エネルギーが345GeV (3450億電子ボルト) 以上の衝突実験を繰り返していたよ。この値を設定しているのは、もし新しいヒッグス粒子があるとすれば、崩壊して生じる粒子の中に「トップクォーク」とその反粒子の反トップクォークのペアが生じるだろうと予測されているからだよ。

 

クォークとは、全部で6種類ある素粒子のグループで、原子核を構成する陽子や中性子など、形ある物質を作る素粒子なんだよね。トップクォークはクォークの中でも最も重く、それどころか発見されている素粒子の中では最も重い存在でもあるんだよね！

 

ヒッグス機構は質量の源と説明したけど、クォークの質量もやはりヒッグス機構で説明されるよ。そしてヒッグス粒子は、重いクォークと強く結合する、つまり崩壊時に重いクォークを生成しやすい性質があるんだよね。なので、もし未知の重いヒッグス粒子が存在すれば、それはより重いクォークへと崩壊する可能性があるんだよね。

 

もし、新しいヒッグス粒子がトップクォークと反トップクォークのペアの合計値より大きな質量を持つ場合には、新しいヒッグス粒子はトップクォークと反トップクォークのペアに崩壊する確率が高いことになるんだよね。これは発見済みのヒッグス粒子では不可能な現象なので^[注3]、こちらとの区別も可能になるよ。

 

ただ、衝突実験で粒子を生み出す実験は、本質的にはガチャと似たような感じで、何が生成されるのかは分からないんだよね。345GeV以下のエネルギーでは、トップクォークと反トップクォークのペアは決して生成されないけど、345GeV以上のエネルギーでは他の粒子をスルーして直接生成される可能性もあるんだよね。

 

なので、トップクォークと反トップクォークのペアを見つけたからといって、直ちに未知の新粒子発見！とは言えないよ。ただ、345GeV以上のエネルギーの領域で未知の粒子があるとすれば、未知の粒子がトップクォークと反トップクォークのペアへと崩壊する可能性がある、という点が重要になってくるんだよね。

 

まず、トップクォークと反トップクォークのペアが生成される時、その量はエネルギーの強さごとに決まってくるんだよね。しかし、もし特定のエネルギー値に未知の粒子があるとすれば、未知の粒子がトップクォークと反トップクォークのペアへと崩壊する確率が上乗せされる、ということになるよ。

 

なので、未知の粒子があるエネルギー値では、周辺のエネルギー値と比べて、トップクォークと反トップクォークのペアの生成数が多いことが観測できるはずなんだよね。つまり、未知の粒子の崩壊によるトップクォークと反トップクォークのペアの過剰を見つけることが、今回CMSコラボレーションが行った実験・研究となるんだよね。

 

存在しないはずの複合粒子「トッポニウム」を発見したかも！？

 

そんなCMSコラボレーションは、2019年に過去の実験データを分析していた際に、トップクォークと反トップクォークのペアの生成が、345GeVのエネルギーでわずかに多いという予期せぬ発見をしたんだよね。ただ、このわずかな過剰は非常に小さなものだったので、これだけでは発見を確定させることはできなかったよ。

 

そこで、予期せぬ発見のきっかけとなった2016年の一部データを含む、2016年から2018年の全ての実験データを分析したんだよね。このデータ量は余りにも膨大なので、分析することすら一苦労だよ。またデータの膨大さから、実際には存在しない幻の“発見”をする恐れがあることから、分析方法も工夫したんだよね。

 

分析の開始からほぼ5年が経過した2024年10月、CMSコラボレーションは345GeVのエネルギーにおけるトップクォークと反トップクォークのペアの過剰生成は、幻ではなく実際に起きていることであり、素粒子物理学の世界において発見であるとみなされる5σ (偶然である確率が約350万分の1以下) を超える水準だと証明したんだよね！

 

 

ただ、CMSコラボレーションが発見したのは、新しいヒッグス粒子ではないかもしれないよ。345GeVというエネルギーはトップクォークと反トップクォークのペアを生成するギリギリの値であることや、観測された粒子の性質を考えると、実際にはトップクォークと反トップクォークが結合した複合粒子である可能性があるんだよね！

 

一般に、クォークと反クォークが1個ずつ結合した複合粒子を「中間子」と呼び、同じ種類のクォークと反クォークによる中間子を「クォーコニウム」と呼ぶんだよね。クォーコニウムは理論的には全てのクォークで存在し^[注4]、その中でトップクォークと反トップクォークが結合した中間子は「トッポニウム」と呼ばれるよ^[注5]。

 

ただ、他の5種類のクォークによるクォーコニウムと違って、トッポニウムは「存在しない」と考えられてきたんだよね。これは、トップクォークや反トップクォーク自体の寿命が、トッポニウムを作るのに必要な時間の20分の1以下しかなく^[注6]、トッポニウムを作る前に、その構成要素が壊れて消えてしまうからなんだよね。

 

ただ、トッポニウムは文字通り机上の空論だとするのが長年の常識だったんだけど、近年になって「トップクォークと反トップクォークがお互いにゆっくり動いている場合には、一瞬ながらトッポニウムを作る暇があるのではないか？」と一部で考えられるようになったんだよね。

 

前提として、衝突実験で生み出された粒子は、余ったエネルギーの一部を運動エネルギーに変換するので、ものすごい速さで移動するんだよね。しかし、トップクォークと反トップクォークを生成するのにギリギリ足りる345GeVのエネルギーを注ぐとどうなるか？運動エネルギーはごくわずかになってしまうよね。

 

なので、345GeVのエネルギーで生成されたトップクォークと反トップクォークは、お互いにとてもゆっくり動いているはず。ってことは、全く存在しないと思われていたトッポニウムが生成されてもおかしくない、ということになる訳だね。

 

「現在の理論では存在しない素粒子である、新しいヒッグス粒子の発見」よりもインパクトは薄いかもしれないけど、実際には「これまで存在しないと考えられていたトッポニウムの発見」も、これに匹敵する十分にインパクトのある話で、かなり大発見な予感がするんだよね！

 

CMSコラボレーションはこの発見の大きさを、やはりクォーコニウムであるチャーモニウムが初めて発見され、その後素粒子物理学が大いに発展した、1974年の11月革命^[注7]になぞらえているよ。偶然にもトッポニウムはチャーモニウムと同じくクォーコニウムだし、何より11月革命からほぼ50周年でこの発見を果たしたんだよね！

 

 

なお、トッポニウムの大きさは10^-16m以下と、大きさが有限である複合粒子としては極めて小さい存在であると予想されるよ。このため、たった2個の素粒子が金原子2個分の重さを持つという、極めて重い複合粒子でありながら、その小ささから「最小の複合粒子」なんていう呼ばれ方までしているよ。

 

今のところ発見は確定していないことに注意！

 

ただ重要なこととして、今回主張されたトッポニウムの発見は、今のところ確定したとは言えないんだよね。1つの問題として、CMSコラボレーションと並ぶ国際研究チーム「ATLASコラボレーション」は、同じエネルギー値でのトップクォークと反トップクォークのペアの過剰生成を報告していない、というのがネックになるんだよね。

 

ATLASコラボレーションとCMSコラボレーションは、お互いに検出装置も分析手法も独立しているため、違う手法で同じ発見が起きればほぼ間違いないだろうと言えるんだけど、片方で見つけてもう片方が見つからないとなると、どちらかの実験・分析手法に何かマズい点があるかもしれない、となるんだよね。

 

もちろん、CMSコラボレーションはこの問題を認識しているので、ATLASコラボレーションでの実験を継続し、トッポニウムと思われる複合粒子が本当に存在するのか、それとも何かの見間違いなのかを確定させる作業を実施する予定になっているよ。

 

もう1つの問題として、粒子そのものの発見は幻でなかったとしても、発見された粒子がトッポニウムであるとは限らないという点があるよ。やはりトッポニウムは存在しないという考えも根強くあるので、当初狙っていた新しいヒッグス粒子の可能性を含めた、全く未知の新粒子である可能性も排除しきれないんだよね。

 

ただ、それはそれで嬉しい誤算なんだよね。実験データを見る限りではトッポニウムにしか見えないけど、実際には他人の空似の全く新しい粒子だったという場合、それは予測されていなかった粒子を発見したことを意味するから、こちらはこちらで素粒子物理学に革命をもたらすかもしれない発見になりうるよ！

 

今のところ、トッポニウムが発見されたかどうかはまだ示唆レベルではあるんだけど、かなり興味深い新たな粒子が見つかった可能性があることを考えれば、どんな続報であっても興味深い結果となると思えるんだよね！