何十年もの間、物理学者たちはミューオンと呼ばれる小さな素粒子をじっと見つめ、第5の力の可能性に興奮してささやき合ってきた。今、ペンシルベニア州立大学の物理学者が率いる国際研究チームが、その熱狂に冷水を浴びせた。学術誌『ネイチャー』に発表された彼らの研究結果は、ミューオンの磁気的挙動における長年観測されてきた不一致は、新しい物理学の兆候ではなく、単なる数学の問題だったことを示唆している。
謎はミューオンを中心に展開していた。ミューオンは短命の粒子で、基本的には電子のいとこにあたるが、約200倍も重い。60年以上にわたり、ミューオンの磁気モーメント（小さな磁石のように振る舞う強さ）の測定値が、既知のすべての基本粒子と力を記述するルールブックである標準模型の予測と一致しないように見えた。この不一致により、誰もが未発見の粒子や、通常の4つの力を超える魅力的な新しい「第5の力」を期待するようになった。
「過去60年ほどの間に多くの計算が行われ、精度が上がるにつれて、すべてが不一致と、既知の物理法則を覆す新しい相互作用の存在を指し示していました」と、ペンシルベニア州立大学の物理学教授で研究の主著者であるゾルタン・フォドール氏は語る。「我々はこの不一致量を計算する新しい方法を適用し、それが存在しないことを示しました。我々が期待した新しい相互作用は単に存在しないのです。古い相互作用で値を完全に説明できます。」
研究チームは計算の改良に10年以上を費やし、最終的に理論予測と実験測定を0.5標準偏差未満で一致させることに成功した。この結果は、標準模型を小数点以下11桁まで確認し、未知の物理学がこの特定の測定に隠れている可能性を大幅に狭めた。
「人々はこの発見をどう感じるか尋ねますが、正直なところ、少し悲しい気持ちです」とフォドール氏は認める。「この量の計算を始めたとき、新しい第5の力に対する信頼できる計算が得られると思っていました。代わりに、第5の力は存在しないことがわかりました。標準模型だけでなく、その基盤である量子場理論の非常に精密な証明も得ました。」
研究はミューオンの異常磁気モーメント、すなわちg−2に焦点を当てた。これは期待値2からの微小なずれである。ミューオンは電子より重いため、空っぽの空間に現れては消える粒子という一過性の量子効果に異常に敏感である。1960年代と1970年代のCERNでの実験、その後ブルックヘブン国立研究所、最近ではフェルミ国立加速器研究所での実験はすべて、これを驚くべき精度で測定し、基礎物理学ブレイクスルー賞を受賞した。しかし、数値は理論と決して一致しなかった。今は別だ。
主な頭痛の種は、陽子と中性子の内部でクォークを結びつける、4つの既知の力の中で最も強力な強い力から来ていた。重力や電磁気学とは異なり、強い力は粒子が離れるほど強くなる。まるで引っ張るほど締まるゴムバンドのようだ。ミューオンの振る舞いを正確に予測するため、チームは格子量子色力学を使用した。これは、超並列コンピュータ上で時空を非常に細かい格子に分割して強い力をシミュレートする計算手法である。
「従来の方法論は、数千の実験結果を収集し、それらを再解釈してミューオンの磁気モーメントという単一の数値を得るものでした」とフォドール氏は言う。「我々のアプローチはまったく異なりました。時空を非常に小さなセル、つまり格子に分割し、その上で標準模型の方程式を解きました。」
過去10年にわたり、チームは短距離および中距離の格子計算と、長距離の信頼性の高い実験測定を組み合わせ、以前の研究よりも細かい格子を使用して不確実性を低減した。最終的な計算は、ミューオンの磁気モーメントのこれまでで最も正確な決定を表している。