$CP$-odd form factor in the $HWW$ vertex

宇宙は、物質を結合させたり、あるいは引き離したりする一連の基本相互作用の上に築かれています。数十年にわたり、物理学者はこれらの力を記述するために、標準模型と呼ばれる単一の非常に成功した理論に依拠してきました。この理論の中核には、他の粒子に質量を与える特別な場があり、それはまるで、厚い水の中を進むことで動きが遅くなる様子によく似ています。この場の物理的な証拠は、2012年に発見されたヒッグス粒子と呼ばれる粒子です。この発見以来、科学者たちは、その挙動が理論の予測通りであるのか、あるいは何か新しく予期せぬ兆候を示しているのかを確認するために、極めて高い精度でその性質を測定することに注力してきました。理論をテストするための最も重要な方法の一つは、ヒッグス粒子が他の粒子、具体的には弱い核力の担い手であるWボソンとどのように相互作用するかを観察することです。

メキシコのベネメリタ・オートノマ大学の研究者らによる新しい研究は、ヒッグス粒子とこれらのWボソンの間の、非常に微細な相互作用を詳しく調査しています。素粒子物理学の標準的な見解では、ヒッグス粒子は2つのWボソンへと崩壊（崩壊）し得ますが、エネルギーと質量の法則により、この過程において両方のWボソンが同時に完全に安定した「実在する」粒子であることは不可能です。そのうちの一つは、他の物質へと変化する直前の、ほんの一瞬だけ存在する儚い仮想粒子でなければなりません。研究者たちは、この相互作用に関わる「パリティ」と呼ばれる特性を含む、特定の稀な特徴に焦点を当てました。パリティとは、本質的に、ある系を鏡に映したときにどのように見えるかを表すものです。主要な力は通常、左と右を同様に扱いますが、特定の稀な量子効果によって、わずかな違いが生じることがあります。研究チームは、この鏡の対称性を破る効果が標準模型の中でどの程度の強さを持つのかを正確に計算することを目指しましたが、これまで数値による回答はなされていませんでした。

複雑な計算、すなわち粒子が生成と消滅のループを繰り返す計算を行うために強力なコンピュータ・シミュレーションを用いた結果、研究者たちは、この鏡の対称性を破る効果は確かに存在するものの、極めて微弱であることを発見しました。彼らは、この効果が2つのWボソンが異なるエネルギーを持つ場合にのみ発生することを発見しましたが、これはヒッグス粒子の崩壊においては常に成立する条件です。この効果の大きさは、他の粒子、特に重いクォークやレプトンが相互作用の中に一時的に現れるループによって決定されます。研究者たちは、この効果の強さが、およそ10万分の1程度であることを算出しました。これを分かりやすく例えるなら、10万人の群衆の中から信号を見つけ出そうとする際、歩調がわずかにずれているたった一人の人物を探しているようなものです。この値は、約100億倍大きい信号しか検出できない現在の技術では、到底検出できないほど小さなものです。

現在は目に見えないほど小さいものの、この効果を見つけることは重要です。なぜなら、それは標準模型の正当な予測を表しているからです。研究者たちは、この微小な信号が物理法則における根本的な対称性の破れによって引き起こされるのではなく、むしろ粒子がループの中でどのように動き、相互作用するかによって生じるものであることを示しました。しかし、この信号は複雑で特定の数学的構造を持っているため、取り除くことのできない背景ノノイズを生み出します。もし将来、科学者がより大きな鏡の対称性の破れを発見した場合、彼らは、自分たちが目にしているものが新しい物理学によるものなのか、それとも標準模型の背景なのかを確信するために、この微小な背景がどの程度の大きさであるかを知っておく必要があります。また、研究では、この微かな効果が粒子の放出の仕方にどのように影響を与えるかについても調査しました。彼らは、それが粒子の移動方向やスピンの向きに対して、非常にわずかな偏りを作り出すことを発見しました。これらの偏りは「非対称性」として知られ、その値は100万分の1あるいは1000万分の1程度と極めて小さいものです。

論文は、これらの効果は実在し、初めて計算されたものの、現在の最も敏感な検出器では不可視であると結論付けています。ヒッグス粒子を発見した巨大な機械である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、これらの微小な偏差を測定するにはまだ感度が足りません。研究者らは、粒子のスピンや方向の解析手法が将来向上すれば、最終的にこの目標に近づける可能性があると述べています。それまでは、この研究は、標準模型が予測する正確なベースラインを定義する重要な地図としての役割を果たします。これにより、私たちがついに鏡を破る信号を目にしたとき、それが計算漏れによるものではなく、確実に新しい物理学に由来するものであると断定できるようになるのです。この研究は、宇宙がその最も微細で隠れた領域においても、現在のルールと矛盾していないことを裏付けています。