100億回に1回しか起きない崩壊を、1つの実験で初めて「証拠」と言えるところまで捉えた。LHCb が B 中間子の崩壊で標準模型を試した結果は、予測どおりだった

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B⁰（ビーゼロ）中間子という粒子がミューオン2個に崩壊する。起きる確率はおよそ100億回に1回。この崩壊を、CERN の LHCb 実験が、1つの実験としては初めて「証拠」と言えるところまで捉えた。測った確率は標準模型の予測とぴたりと合い、新しい粒子や力の痕跡は出ていない。結果は11月3日に CERN のセミナーで発表され、論文は10月30日に arXiv に投稿された。Physical Review X に投稿済みで、査読はまだこれからである。

探しはじめてから42年

中間子は、クォークと反クォークが1個ずつ組んだ粒子で、B⁰ 中間子はボトムクォーク（ビューティークォークとも呼ぶ）とダウンクォークの組み合わせにあたる。陽子どうしをぶつけると大量にできるが、寿命は1.5兆分の1秒ほどで、すぐにもっと軽い粒子に崩れていく。崩れ方は何通りもあって、そのうちミューオン（電子の約200倍重い、電子の親戚のような粒子）が2個だけ飛び出す崩れ方は極端に少ない。標準模型の計算では、B⁰ 中間子100億個につき1個ほど。兄弟分の B⁰s（ビーエス）中間子（ボトムとストレンジの組み合わせ）でも3億個に1個ほどで、こちらでさえ十分に珍しい。

この崩壊を探す試みは、1984年にアメリカの CLEO 実験が最初の上限値を出したところから始まった。当時の上限は確率にして1万分の2で、標準模型の予測より200万倍ほども緩い数字だったが、それから42年かけて実験の感度がじわじわと予測の値に近づいてきた。B⁰s のほうは先に決着がついていて、LHCb が2012年に「証拠」、2015年に CMS 実験との共同解析で「発見」を宣言し、2017年には LHCb 単独でも発見の水準に達した。

いっぽう B⁰ は、一度つかまえかけて逃げている。2015年の LHCb と CMS の共同解析では B⁰ の崩壊にも「証拠」水準の信号が出ていたのだが、その後の解析では確認できず、確率の上限として「100億分の1.6以下」が残っているだけだった。

100億回に1回しか起きない崩壊を、1つの実験で初めて「証拠」と言えるところまで捉えた。LHCb が B 中間子の崩壊で標準模型を試した結果は、予測どおりだった

検出器を入れ替えて2年で集めたデータ

今回の解析に使ったのは、2024年と2025年に LHC の第3期運転（Run 3）で集めたデータである。LHCb は2024年から Upgrade I と呼ぶ新しい検出器で動いていて、衝突を記録できる速さは以前の最大5倍になった。粒子の飛跡をたどる検出器も粒子を見分ける検出器も作り直され、どの衝突を保存するかを決める最初の選別も、専用の電子回路からすべてソフトウェアに置き換わった。その結果、2011年から2018年までに集めた量（積分ルミノシティで 9 fb⁻¹）の2倍にあたる 18 fb⁻¹ を、2年で集めている。

ただ、データが増えれば済む話ではない。陽子衝突からは無数の粒子が飛び出すので、たまたま近くを通った2個のミューオンが B 中間子の崩壊に見えてしまう「偽物」が山ほどある。もっと厄介なのは、B 中間子がパイ中間子やK中間子に崩壊したものをミューオンと見間違える事例で、これは本物とほとんど同じ質量のところに顔を出す。解析チームは、崩壊した場所が衝突点からどれだけ離れているか、周りにほかの粒子がどれだけ少ないか、といった特徴をまとめて機械学習の分類器にかけ、さらに Upgrade I で改良されたミューオン識別で見間違いを落とした。本物の信号が出るはずの質量の範囲は、解析の手順が固まるまで隠しておく決まりで、答えを見てから手順を変える誘惑を断っている。

そこまでして、標準模型の予測どおりなら B⁰ の崩壊が何個見えるはずかというと、解析に使う範囲で26個である。B⁰s のほうは235個。18 fb⁻¹ ぶんの陽子衝突が生んだ膨大な粒子の中から、その26個を拾い出す作業だった。

見えた信号と、何も変わらなかった数字

ミューオン2個の質量の分布を見ると、B⁰s の質量のところに大きな山があり、それより少し軽い B⁰ の質量のところに小さな山が出た。背景だけの場合と比べたこの小さな山の有意性は3.0σ（シグマ）。素粒子物理では3σを「証拠」、5σを「発見」と呼ぶ習わしがあるので、1つの実験の単独のデータで B⁰→μ⁺μ⁻ が証拠の水準に達したのは今回が初めてになる。Run 1・Run 2 のデータと合わせると3.2σまで上がる。

肝心の確率は、Run 3 のデータだけで100億分の1.26、以前のデータと合わせると100億分の1.14と出た。誤差はまだ4割ほどあるが、標準模型の予測である100億分の1.03とよく合っている。B⁰s のほうは10億分の3.25で、予測の10億分の3.66よりわずかに低めだが、これも誤差の範囲に収まる。B⁰s の崩壊の「有効寿命」も1.60ピコ秒と、これまでで最も精度よく測られ、やはり予測と一致した。B⁰ と B⁰s の崩壊確率の比も含めて、測ったものすべてが標準模型の言うとおりだった。

ここが今回の結果の肝になる。「何も新しいものは見つからなかった」のは、この測定にとって空振りではない。標準模型の計算では、この崩壊はクォークの種類が入れ替わる途中で W ボソンやトップクォークが一瞬だけ顔を出す、遠回りの経路でしか起きない。だから確率が極端に小さい。もし標準模型にない重い粒子、たとえば余分なヒッグス粒子や Z′ ボソン、レプトクォークと呼ばれる仮想の粒子があれば、同じ遠回りの経路にそれらが割り込んで、確率を予測からずらすはずなのである。LHC の衝突エネルギーは13.6 TeV で、それより重い粒子を直接作ることはできない。しかしこの崩壊の確率は、論文によると100 TeV 近くのエネルギースケールの粒子にまで感度がある。確率が予測どおりだったということは、そのスケールの重い粒子がこの経路に割り込んでいる兆しは、今のところ見えなかったということになる。イギリスの研究者たちがこの領域を「ゼプトバース」（ゼプトメートル、つまり1兆分の1のさらに10億分の1メートルの世界）と呼んでいるのは、このスケールを指した言い回しである。

5σまでの道のり

3.2σは証拠であって発見ではない。2015年の「証拠」が消えた前例があるだけに、解析チームも慎重で、バーミンガム大学のニラドリ・サフー（Niladri Sahoo）さんは、今回の結果を標準模型の新しい試験であり、新しい物理への窓だと説明するにとどめている。解析は19人のチームで、ケンブリッジ大学のハリー・クリフ（Harry Cliff）さんとマルコ・サンティマリア（Marco Santimaria）さんが共同で率いた。クリフさんは CERN のニュースで、この崩壊の証拠が見えたことで LHC の直接の射程の外を探る道が開けた、と話している。5σに届くには、さらにデータを積む必要がある。2030年に始まる高輝度 LHC と、2030年代半ばに予定される LHCb の次の改修では、データの収集速度がもう1桁上がる見込みだという。

100億回に1回しか起きない崩壊を、見えるはずの数が26個という信号から拾い出し、その確率が計算どおりかを確かめる。見つかったのが「予測どおり」だったぶん話は地味だが、LHC で直接は手が届かないエネルギーの世界を、崩壊の確率というものさしで測った結果である。査読を経て数字が確定するのを待ちたい。

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