μ粒子から示唆された“未知の素粒子や力”は無さそう？「ミューオンg-2実験」の最終結果が公表

国際研究「ミューオンg-2実験」では、合計で約1兆個ものμ粒子を測定し、正確な異常磁気モーメントを計測することを目的としたよ。またこれと並行して「ミューオン理論計算イニシアチブ」が、理論値の改善を行ったよ。 (画像引用元番号①②④)

μ粒子の異常磁気モーメントの謎に挑むための国際研究はいくつかあるけど、その中で最も著名で大規模なのがフェルミ国立加速器研究所で実施された「ミューオンg-2実験」だよ。この国際的な研究は、人工的に生成したμ粒子 (正確には反μ粒子 (μ⁺粒子) ) を巨大な電磁石の中に蓄積し計測を行うんだよね。

まず、約1兆個の陽子の塊を粒子加速器で加速し、毎秒12回ほど固定されたターゲットに衝突させるよ。するとπ中間子という粒子が生成した後、すぐに崩壊してμ粒子を生成するんだよね。これを誘導し、直径15mの超伝導電磁石のリングの中でぐるぐると回しながら異常磁気モーメントの値を測定するよ。

μ粒子は平均で0.0000022秒で崩壊して消えてしまうし、1個1個のμ粒子から得られる情報はとても少ないよ。また、計測の手法や装置のセッティングなど、実験を行ってみて気が付く不具合や改良点もあるのよね。ということでミューオンg-2実験は、実験を全部で6つの期間に分けて行い、徐々に測定するμ粒子の数を増やしたよ。

このようにしてミューオンg-2実験では、2017年5月から2023年7月にかけて、合計約1兆個ものμ粒子を電磁石リングの中に蓄積し、異常磁気モーメントの測定を行ったよ。その実験データは膨大なので、最初の分析結果は2021年4月7日に、最初の3回の実験結果に基づく分析結果は2023年8月10日にそれぞれ発表されたよ。

実験と研究の結果、μ粒子の異常磁気モーメントの理論値と実測値のズレはだいぶ縮まったよ！詰め切れていない部分はあるものの、今のところはμ粒子を動かすような未知の素粒子や力は無さそうだと考えていいんだよね。

そして2025年6月3日、全6回の実験データを全て含む解析結果がついに公表されたよ！μ粒子の新しい異常磁気モーメントの値はa_μ^exp=0.001165920705±0.000000000148と、これまでのどの実験よりも精度が高かったんだよね！その精度を喩えて言うなら、1kmの道を0.1mmの精度で正確に測るのと大体同じくらいという厳密さになるよ！

ミューオンg-2実験がはじき出したμ粒子の異常磁気モーメントの値は、この実験自身が目標としていた精度を上回っている点で大成功であり、同じような実験でこの精度を上回ることは、少なくとも当分の間は無理と言われるほど、限界を突き詰めているんだよね。

ところで、最初に話した異常磁気モーメントのズレについてはどうなったんだろう？実はミューオンg-2実験と並行して、「ミューオン理論計算イニシアチブ」という国際研究チームが、μ粒子の異常磁気モーメントの理論値の改善を行っている、というのが重要になってくるよ。

理論の枠組みは変わらないのに理論値が変わることがあるの？と思うかもしれないけど、問題は、理論値を導くための計算が非常に複雑だと言うことなんだよね。μ粒子の異常磁気モーメントの原因となる量子力学的効果は非常に複雑怪奇であり、計算しようにもそのパターンが膨大過ぎて太刀打ちできないんだよね。

計算方法を工夫すれば、膨大過ぎるパターンをある程度簡略化し、現実的な計算量に減らすことができるんだけど、今度は計算結果が正しいかどうかが分からなくなるという問題があるんだよね。実際、理論値と実測値のズレは未知の素粒子を予言しておらず、理論値の計算の仕方がマズいんだという意見もあったくらいだからね。

そこでミューオン理論計算イニシアチブは2020年頃より、「格子QCD (格子量子色力学)」という理論を考慮した計算を行ったんだよね。詳細は割愛するけど、計算機の進化があってようやくまともに計算ができるようになるというくらい、複雑な計算を伴う厄介さがあるけど、その代わり精度が上がることが期待される手法なんだよね。

ミューオン理論計算イニシアチブは、ミューオンg-2実験が結果を発表する少し前の2025年5月27日、最新の理論値を発表したよ！そこに示されていたのはa_μ^SM=0.00116592033±0.00000000062という値で、精度こそ実測値に少し劣るけど、重要なのは実測値と理論値が誤差の範囲内で重なり合っているという点なんだよね！

これまでの懸案は、μ粒子の異常磁気モーメントについて、理論値と実測値がどうしても重ならないという問題だったんだよね。しかし、理論値の方が大きく改善し、実測値と重なったことで、この懸案は杞憂に終わりそうなんだよね。端的に言えば「μ粒子を動かす未知の素粒子や力は無さそう」ということになるね。

もちろん、現時点では理論値と実測値にはズレがあり、精度を高めればやっぱり重ならないという結果が出る可能性も残されているよ。今のところは標準模型では予言されていない未知の素粒子を今すぐ求める必要はないけど、かといってその存在が完全に否定されたとまでは言えないんだよね。結論出ず、というとこかな。

素粒子物理学の謎の探求はまだまだ続く

今回の研究結果は、今後の素粒子物理学の研究を行う上で重要な値を導いたんだよね。また今後は、日本のJ-PARCにてμ粒子の異常磁気モーメントと電気双極子モーメントを正確に測る「ミューオンg-2/EDM実験」がスタートする予定だよ。 (画像引用元番号⑤⑥⑦)

今回のミューオンg-2実験による実験結果と、ミューオン理論計算イニシアチブによる理論値の改善結果は、確かに“未知の素粒子や力を発見しました”のような、劇的なインパクトを持つ結果とは言えないよ。ただしインパクトこそ欠けるものの、その成果はとてつもなく大きいんだよね！

2つの国際研究が導いた、μ粒子の性質に関する深い理解は、何もμ粒子だけに限定される成果じゃないよ。今回導き出された値を直接使う研究のみならず、その過程で蓄積されたノウハウが、他の素粒子物理学の実験でも生きていくはずだからね。

例えば、μ粒子の測定値そのものの精度の改善は、いわば物差しや時計をより正確なものに置き換えるようなもので、素粒子物理学の研究の精度を改善するよ。また理論値を計算する過程で試された数学的手法もまた、素粒子物理学の理解を深め、もしかすると新しい理論を構築するのに役に立つかもしれないよ。

ミューオンg-2実験はこれで終わってしまったけど、μ粒子の性質を測る実験はまだまだ続くよ。例えば、日本の茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設「J-PARC」では、2030年代初頭に「ミューオンg-2/EDM実験」という実験を新たに予定しているんだよね。

これは、μ粒子の異常磁気モーメントに加えて、別の性質である「電気双極子モーメント」を測ることを目的としているよ。詳しくは割愛するけど、μ粒子の電気双極子モーメントはゼロではないが極めて小さいと予測されていて、誰も正確な値を測ったことがないんだよね。これも測定できれば相当興味深い情報になるよ。

また、J-PARCのミューオンg-2/EDM実験で測定可能なμ粒子の異常磁気モーメントは、さすがにフェルミ国立加速器研究所のミューオンg-2実験の精度を超えることはないよ。しかし、J-PARCはフェルミ国立加速器研究所とは異なる手法でμ粒子の異常磁気モーメントを測れるので、異なる観点からのダブルチェックができるんだよね。

また、J-PARCの装置はフェルミ国立加速器研究所の装置の20分の1の大きさというコンパクトさがウリだよ！この小ささでかなりの測定精度を出せれば、他の研究所でも同様の実験を行う弾みがつくかもしれないね。あちこちで実験が行えるようになるのは、世界の色んな観点から、素粒子物理学の理解を深めるのに繋がるはずだよ。