ミューイーガンマ崩壊発見されず、大統一理論のモデル見直しへ - 東大など

東京大学(東大)は3月9日、ミューイーガンマ(μ→eγ)崩壊を4年間にわたり世界最高の実験感度で探索した結果、多くの理論予想に反して同崩壊は発見されず、ニュートリノ振動の起源となる新物理と大統一理論に厳しい制限を課すことになったと発表した。

同成果は、東京大学素粒子物理国際研究センター 森俊則 教授、大谷航 准教授、高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所 三原智 教授らの研究グループによるもので、独科学誌「The European Physical Journal C」に掲載される予定。

これまで標準理論を超える新しい素粒子理論として、大統一理論の研究が行われてきた。大統一理論によると、宇宙開闢期には素粒子の相互作用は統一されており、それが破れることによりインフレーションを引き起こして現在の宇宙が誕生したと考えられている。1990年代後半には、標準理論で禁止されているミュー粒子のミューイーガンマ崩壊は、大統一理論によって引き起こされることが指摘されている。

一方、1998年のスーパーカミオカンデ実験によって発見されたニュートリノ振動現象は、ニュートリノが質量を持つことを明らかにした。ニュートリノの質量はほかの素粒子に比べて極めて小さなものであり、これはニュートリノがほかの素粒子とは異なるメカニズムによって質量を得たことを示唆している。このメカニズムは「シーソー機構」と呼ばれており、同機構によると、宇宙誕生直後には極めて重いニュートリノの仲間が存在。その崩壊によってその後宇宙は反粒子が消えて粒子だけになった可能性があり、ミュー粒子のミューイーガンマ崩壊は、重いニュートリノの仲間の存在が引き起こしているものと指摘されている。

このように大統一理論やシーソー機構はミューイーガンマ崩壊を予言しているが、その確率はおおよそ1兆に1回程度であり、そのように小さな確率で起こる素粒子の崩壊を測った実験はこれまでになく、既存の素粒子検出器を使った方法では不可能だとされていた。

同研究グループは今回、ガンマ線をこれまでにない精度で測定できる2.7トン液体キセノン測定器と、素早く大量の崩壊粒子を処理するための特殊な超伝導スペクトロメータを考案・開発することで、ミューイーガンマ崩壊を発見し、大統一理論とシーソー機構の証拠をつかむことを試みた。また、今回の研究のために必要な毎秒1億個近いミュー粒子を生成できる加速器はスイスのポールシェラー研究所(PSI)にしかないが、東京大学を中心とする日本の研究グループの実験提案がPSIに認められ、その後スイス・イタリア・ロシア・米国の研究グループが加わり国際共同実験「MEG」として研究を進め、2008年のパイロット実験の後、2009年終わりから2013年半ばまで約4年間にわたり断続的にデータを取得した。

同データを用いて、およそ2兆に1回のミューイーガンマ崩壊を発見できる世界最高感度で探索したが、今回、理論による予想にもかかわらず、この探索感度をもってしてもミューイーガンマ崩壊の発見には至らなかった。この結果は、これまで考えられていたシンプルな大統一理論とシーソー機構のシナリオとは矛盾するもので、宇宙の始まりを記述する標準理論を超える新理論の可能性に関して、これまでにない厳しい制限を加えることになった。

同研究グループは、今回のMEG実験の経験を活かしてアップグレード実験MEG IIの準備を進めている。MEG II実験では、MEG実験設計当時にはなかった新しく開発した測定器技術をいくつか採用して、MEGの約10倍の実験感度を達成できる見込みで、およそ25兆に1つのミューイーガンマ崩壊まで捉えることを目指している。

新しい測定器は現在建設中。順調に行けば2017年に実験を開始でき、最終感度に到達するのに最低3年間のデータ取得を行っていくという。