ミューオンは電子と同じ荷電レプトンというグループに属する素粒子であり、多くの点で電子と同じ性質を持ちます。電荷、スピンは電子と同じであり、電磁相互作用・弱い相互作用はしますが、強い相互作用はしません。しかし、ミューオンは電子とは異なる性質も持っています。質量は電子の約200 倍であり、有限の寿命を持っています。平均2.2 μs で電子と2 つのニュートリノに崩壊します。
ミューオンは宇宙線として、常に地表に降り注いでいます。1 次宇宙線(宇宙から地球大気に到達した宇宙線、主に陽子) が大気と反応して、2 次宇宙線が生成されます。そして2 次宇宙線の中で、長い寿命を持つミューオンが地表に到達します。
茨城県東海村にあるJ-PARC(大強度陽子加速器施設) では、世界最高クラスの大強度陽子ビームを用いて、素粒子物理、原子核物理、物質科学、生命科学、原子力など幅広い分野の研究が行われています。
J-PARC の大強度陽子ビームを黒鉛製の標的にぶつけて生成したパイ中間子が崩壊することで、ミューオンを生成することができます。これは1 次宇宙線からミューオンが生成される反応と同じ過程ですが、人工的に大量にミューオンを生成することで、精度の良い実験を行うことができます。
スピン1/2 の素粒子の一覧
ミューオンはスピンを持っており、それに起因して磁場中で磁石のような振る舞いをします。磁石の強さを表す無次元の量を$g$因子と呼びます。相対論的量子力学を記述するディラック方程式では、$g$因子は厳密に2となりますが、量子効果を考慮すると2からずれることが知られています。このずれを$g-2$(じーまいなすつー) と呼んだり、異常磁気双極子能率$a_{\mu} ( \equiv \frac{g-2}{2})$ と呼びます。
$g$因子を2からずらす要因として、最も大きな影響を及ぼすのは電磁気力です。しかし、それ以外の力も影響を及ぼします。標準理論に現れる強い力、弱い力、重力だけでなく、未知の力も影響を及ぼします。標準理論の枠組み内の相互作用を考慮して、$g$因子の値を高精度に計算することができます。この理論計算値を実験的に測定した値と比較することで、未知の力の影響を捉えることができます。
現在、最も高精度なミューオン$g-2$ の測定はフェルミ国立研究所で行われています。2023年に発表されたミューオン$g-2$ の測定値は、標準理論の予言値からずれており、新物理の兆候ではないかと注目されています。このずれを検証するため、J-PARCでは従来とは異なる方法でミューオン$g-2$ を測定しようとしています。
電気双極子能率EDMがゼロでない値を持つ場合、ミューオンの電荷分布が偏っていることを意味します。また、EDMは空間(P)および時間(T)反転対称性を破る物理量であり、CPT定理によれば、時間反転対称性の破れはCP対称性の破れと等価です。もし、ゼロでないEDMの値を観測できれば、レプトンにおけるCP対称性の破れを観測したことになり、物質優勢の宇宙の解明につながります。
ミューオンビームを一度冷却して、再加速することによって、運動量の指向性の高いミューオンビームを作り出します。コンパクトなMRI 型磁石を利用することで、3テスラの均一な磁場空間を作り出し、その中でミューオンビームを蓄積します。磁石中で蓄積したミューオンは、陽電子とニュートリノに崩壊します。磁石中にシリコンストリップ検出器を設置することによって、陽電子の飛跡を再構成します。従来の実験手法とは異なり、たくさんのアイディアを利用した野心的な実験です。
