Observation of the electroweak production of $\gamma\gamma jj$ at $\sqrt{s}=13$ TeV in $140\ \text{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data with the ATLAS detector

宇宙のピンボールマシンと幽霊のようなグリッチ（不具合）

宇宙を、微小な原子から巨大な星に至るまで、あらゆるものの振る舞いを規定する巨大で目に見えないルールブックだと想像してみてください。数十年にわたり、科学者たちはこの本を読み解いてきました。これまでのところ最も成功している章は「標準模型」と呼ばれるものです。これは、私たちの世界を構成する粒子に関する完璧な取扱説明書のようなもので、それらがどのように相互作用するかを驚異的な精度で予測します。しかし、優れたミステリー小説がそうであるように、そのマニュアルには数ページ足りないのではないかという兆候があります。物理学者は、現在のルールではまだ説明できない奇妙な力や粒子といった「新しい物理学」が、その隙間に隠れているのではないかと疑っています。

これらの隠された秘密を見つけ出すために、科学者たちはスイスにある大型ハドロン衝突型加速器（LにはLHC）のような、巨大な粒子加速器を建設しています。LHCを、プロトン（物質の微小な構成要素）を光速に近い速度で衝突させる「宇宙のピンボールマシン」だと考えてみてください。これらのプロトンが衝突すると、エネルギーの混沌とした爆発が起こり、一時的に新しい重い粒子が生成されます。科学者たちは、これら衝突の残骸を研究することで、標準模型の予測が維持されているのか、あるいは何か奇妙なことが起きているのかを確認します。彼らが注目して好む特定の衝突タイプの一つは、2つの光子（フォトン）と2つのデブリのジェットが同時に飛び出してくる現象です。もしこれらの粒子が標準模型のルールを破るような方法で相互作用すれば、それは全く新しい物理学の章への最初の手がかりとなる可能性があります。

幽霊のような「電弱」のダンスを捉える

この新しい研究において、ATLASコラボレーション（巨大な検出器ATLASを使用している大規模な科学者チーム）は、非常に特定かつ稀なイベントである「2光子および2ジェットの電弱生成」の探索を行うことにしました。なぜこれが重要なのかを理解するために、2人のダンサー（光子）と2人のバックダンサー（ジェット）がステージ上で踊っている様子を想像してみてください。通常、これらのダンサーは「強い力」を通じて相互作用します。これは、周囲を押し分ける騒々しく賑やかな群衆のようなものです。しかし、チームが探していたのは、「電弱生成」と呼ばれる非常に静かなダンスの動きでした。そこでは、ダンサーたちは、騒々しい群衆に頼ることのない、より微細で幽霊のような力を通じて相互作用します。この特定のダンスは、力を媒介する粒子同士の「自己相互作用」、つまり、力場が助けなしに互いに会話できるかどうかをテストすることに敏感なのです。

チームは、13 TeVのエネルギーにおける140京（140 fb⁻¹）回のプロトン衝突データを分析しました。それは、数粒の金の粒を見つけるために、山の如き砂をふるい分ける作業のようでした。彼らは「ノイズ」、つまり常に発生している一般的で混沌とした衝突を排除し、2つの孤立した光子と2つのジェットが「ベクトルボゾン散乱」として知られる非常に特定のパターンで現れるイベントだけに焦に集中しなければなりませんでした。このパターンは、「これは単なるランダムな突起ではなく、意図的で微細な相互作用である」と告げる署名のようなものです。

膨大なデータの選別作業を経て、チームは探し求めていたものを見つけ出しました。彼らは、これら2つの光子と2つのジェットの電弱生成を、6.2𝜎の統計的有意性で観測しました。粒子物理学の世界では、「5シグマ」の結果が発見を主張するためのゴールドスタンダード（結果が偶然である確率が100万分の1未満であることを意味します）です。したがって、6.2𝜎をもって、チームは単にそれが起こると示唆しただけでなく、それを「観測」したのです。彼らはこのイベントの発生率、すなわち「断面積」を 13.8 +3.0 −2.6 fb と測定しました。これを標準模型の予測である 17.1 +2.4 −2.4 fb と比較したところ、数値は良好に一致していました。この宇宙は、この特定のダンスに関しては、依然として現在の取扱説明書のルールに従っているようです。

「新しい物理学」のモンスターを退ける

しかし、科学者たちは単にダンサーを数えるだけでは止まりませんでした。彼らは、ダンスが「新しい物理学」を示唆するように、わずかに「狂って」いないかを確認したいと考えました。彼らは、異常を探すために「有効場理論（EFT）」と呼ばれる数学的枠組みを使用しました。標準模型を、完璧に滑らかなダンスフロアだと想像してください。もし、すぐそばに隠れた新しい重い粒子や奇妙な力が潜んでいれば、それらはフロアをわずかに凹凸のあるものにし、ダンサーを躓かせたり、奇妙に回転させたりするかもしれません。チームは、ウィルソン係数（これらの潜在的な新しい相互作用がどれほど強いかを記述する数値）をチェックすることで、これらの「凹凸」を探しました。

彼らは具体的には、「異常な四重ゲージ結合」を調べました。これは、4つの力を媒介する粒子間の奇妙な相互作用を指す専門用語です。もしこれらが存在すれば、標準模型を超える物理学の重大な兆候となるでしょう。しかし、計算を行った結果、チームは標準模型からの統計的に有意な偏差は見出せませんでした。代わりに、彼らはこれらの潜在的な異常がどの程度大きくなり得るかについて、厳格な制限を設けました。彼らは、最も敏感な演算子である fT5/Λ4 および fT8/Λ4 のウィルソン係数が、それぞれ [−0.400, 0.372] TeV⁻⁴ および [−0.220, 0.219] TeV⁻⁴ の範囲に制約されることを突き止めました。

平易な言葉で言えば、これは、もし新しい重い粒子や奇妙な力がこの特定のダンスをかき乱そうとしていたとしても、それらは非常に弱いか、あるいは非常に重いため、現在のデータでは手の届かない場所に隠れていることを意味します。この論文は、新しい物理学の存在を完全に否定するものではありませんが、これら特定のタイプの「新しい物理学」は、現在のデータで見えるほど強力ではないことを示しています。結果は標準模型と一致しており、この「幽霊のような」電弱のダンスは、古いルールブックが予測した通りに起きていること、つまり驚くべきグリッチは検出されなかったことを意味します。これは「新しい発見なし」という結果に聞こえるかもしれませんが、実際には標準模型の堅牢性を確認する大きな勝利であり、これほど複雑で高エネルギーなシナリオにおいてもその正しさが証明されたのです。チームはまた、「騒がしい（QCD）」ダンスと「静かな（電弱）」ダンスの両方を合わせた合計の発生率を 54.3 +4.6 −4.8 fb と測定しましたが、これも理論的予測と一致していました。

したがって、物語は、ATLASチームが粒子衝突器の混沌の中で、稀で微細なダンスを捉えることに成功したという結末を迎えます。彼らはそれが起きることを確認し、その頻度を測定し、ダンサーが何か奇妙な動きをしていないかをチェックしました。彼らは何も奇妙なことは見つけられませんでした。これは、宇宙が私たちが知るルールに従って動いていることを教えてくれます――少なくとも今のところは。しかし、探索は続きます。なぜなら、粒子物理学の世界では、次の稀なイベントこそが、宇宙のルールブックの失われたページをようやく明らかにするものかもしれないからです。