When Particles Break the Rules

レプトン普遍性の破れを追う

By Andreas Crivellin

A. クリヴェリン


Breaking the rules is exciting, especially if they have held for a long time. This is true not just in life but also in particle physics. Here the rule I’m thinking of is called “lepton flavor universality,” and it is one of the predictions of our Standard Model of particle physics, which describes all the known fundamental particles and their interactions (except for gravity). For several decades after the invention of the Standard Model, particles seemed to obey this rule.		ルールを破るときはドキドキする。特に長い間守られてきたルールならなおさらだ。これは人生においてだけでなく素粒子物理学においてもいえる。ここでいうルールは「レプトンフレーバー普遍性」（以下，レプトン普遍性）のことであり，素粒子物理学の標準モデルにおける予測の1つだ。既知の素粒子とそれらの相互作用（重力を除く）のすべてを記述する標準モデルが確立してから数十年間，素粒子はそのルールに従っているように見えた。
Things started to change in 2004, when the E821 experiment at Brookhaven National Laboratory on Long Island announced its measurement of a property of the muon—a heavy version of the electron—known as its g-factor. The measurement wasn't what the Standard Model predicted. Muons and electrons are both part of a class of particles called leptons (along with a third particle, the tau, as well as the three generations of neutrinos). The rule of lepton flavor universality says that because electrons and muons are charged leptons, they should all interact with other particles in the same way (barring small differences related to the Higgs particle). If they don’t, then they violate lepton flavor universality—and the unexpected g-factor measurement suggested that’s just what was happening.		状況が変わり始めたのは2004年，ロングアイランドにある米国立ブルックヘブン研究所で行われたE821実験がミュー粒子（電子に似ているが質量が大きい素粒子）のg因子と呼ばれる量の測定値を発表したときだ。その値は標準モデルの予測と異なっていた。ミュー粒子と電子はどちらもレプトンと呼ばれる種類の素粒子だ（レプトンには，やはり電子に似ているタウ粒子と，3世代のニュートリノも含まれる）。レプトン普遍性によると，電子とミュー粒子は荷電レプトンなので，どちらも他の粒子との相互作用は同じだ（ただし，ヒッグス粒子に関連する小さな相違を除く）。同じでなければレプトン普遍性が破れていることになる。そして，予想外のg因子の測定値はそれがまさに破れていることを示唆していた。
If particles really were breaking this rule, that would be exciting in its own right and also because physicists believe that the Standard Model can't be the ultimate theory of nature. The theory doesn’t explain why neutrinos have mass, nor what makes up the invisible dark matter that seems to dominate the cosmos, nor why matter won out over antimatter in the early universe. Therefore, the Standard Model must be merely an approximate description that we will need to supplement by adding new particles and interactions. Physicists have proposed a huge number of such extensions, but at most one of these theories can be correct, and so far none of them has received any direct confirmation. A measured violation of the Standard Model would be a flashlight pointing the way toward this higher theory we seek.		素粒子が本当にこのルールを破っているなら，それ自体が興味深いのはもちろん，物理学者たちは標準モデルが自然界の究極理論ではなく，より優れた理論があるはずだと考えているので，その点でも非常にワクワクする。標準モデルでは，ニュートリノに質量がある理由や，宇宙の大部分を占めるとされる目に見えない暗黒物質の正体，初期宇宙で物質が反物質に勝った理由を説明できない。そのため，標準モデルは近似的な記述にすぎず，新たな粒子や相互作用を追加して補正する必要がある。そうした拡張は数多く提案されてきたが，正しい可能性があるのはせいぜいそのうちの1つであり，現時点では直接的に裏づけられたものはない。標準モデルのほころびが観測されれば，それは私たちが追求しているさらに高次の理論を照らす明かりになるだろう。