MEG実験

電子の仲間「μ粒子」が、新理論の手掛かりを握る。

MEG実験とは、電子の仲間である「μ粒子」が、γ線を放出しながら電子に崩壊する「μ→eγ崩壊」という事象を観測するための実験プロジェクトです。「μ粒子」とは、電子と性質がほぼ同じで電子の200倍の質量を持つ、「レプトン」に属する素粒子のことです。

「μ→eγ崩壊」は、「標準理論」では起こりえないと考えられていますが、宇宙や素粒子に働く力をより包括的に説明する「超対称大統一理論」では、数千億~十兆回に1回程度という非常に小さい確率で起こることが予言されています。その観測に成功すれば「超対称大統一理論」の実証につながりますし、それが観測されなければ「超対称大統一理論」の見直しを迫ることになります。いずれにしても、素粒子物理学の新たな理論を構築する足がかりとなる重要な実験と位置づけられています。

MEG実験は、本センターの研究者が中心になって設計・提案した国際共同研究プロジェクトです。実験の重要性を認識したイタリア、スイス、アメリカ、ロシアの研究者たちが加わり、約60名体制でスイスのPSI(ポールシェラー研究所)を拠点に、2008年から研究が始まっています。

きわめて稀にしか起こりえない「μ→eγ崩壊」を観測するには、最初に大量のμ粒子が必要です。それを可能にするのが、世界で唯一、1秒間に約1億個ものμ粒子をつくり出すことのできるPSIの「陽子サイクロトロン」です。日本の研究チームは、「陽電子」(プラスの電荷を持つ電子)の性質を測定する「超伝導電磁石コブラスペクトロメータ」や、γ線を検出する「液体キセノン検出器」をはじめ、測定装置の主要部分を発案して独自開発するとともに、研究グループ全体を主導する役割を担っています。

2008年に始まった実験の結果、「μ→eγ崩壊」は約2.4兆回に1回の頻度では起こらないことが明らかになりました。これは、「超対称大統一理論」をはじめ、「標準理論」を超える新たな理論にきわめて厳しい制限で、さらに高い精度で新物理の妥当性を検証することが急務となっています。装置の観測感度をもう一桁高め、数十兆回に1回の頻度で「μ→eγ崩壊」が起こるかどうかを確かめるMEG II実験を、2017年ごろから実施するべく準備を進めています。

MEG実験の成果によって、素粒子物理学の新分野が切り拓かれました。「μ粒子」を使って素粒子物理学の新たな理論を検証する「荷電レプトンフレーバー物理」と呼ばれる分野です。現在では日本をはじめ、アメリカやヨーロッパでも大規模な実験計画が進められ、電子の仲間であるニュートリノの質量がなぜ軽いのか、多くの研究者が謎の解明に挑んでいます。

素粒子の世代に潜む謎

「μ粒子」とは、電子と性質がほぼ同じで電子の200倍の質量を持つ、「レプトン」に属する素粒子です。「クォーク」と「レプトン」には、電子とμ粒子のように、性質が同じで質量が異なる素粒子があることが知られ、「世代」あるいは「フレーバー」と呼ばれています。なぜ「世代」があるのかはよく分かっていませんが、「標準理論」では「クォーク」にも「レプトン」にも3つの世代があり、「レプトン」が「世代」を超えて変化することはないと考えられていました。
ところが、本センターを創設した小柴昌俊先生は、カミオカンデの実験で、電子と同じ「レプトン」に属するニュートリノが、世代を跨いで変化する性質を持つことを明らかにしました。それによって「標準理論」の綻びが指摘され、「超対称大統一理論」による説明に期待が寄せられるとともに、電子とμ粒子の間にも、世代を跨いだ「μ→eγ崩壊」があると考えられるようになっています。

図版 素粒子の世代に潜む謎
クォークに3つの世代が存在し、世代が混交することは、小林・益川両氏によって予言され、1995年に確認された(両氏はノーベル物理学賞を受賞)。
ニュートリノ振動(世代の移り変わり)の発見に続き、μ粒子と電子が世代を超えて移り変わる現象の確認に期待が寄せられている。