Search for rare charm decays at BESIII

宇宙は、物理学者が標準模型と呼ぶ一連の規則に基づいて構築されています。それは物質とエネルギーがどのように振る舞うかを示す優れた地図ですが、いくつかの大きな疑問を未解決のまま残しています。なぜ物質は反物質よりも多いのか？銀河を繋ぎ止めているダークマターとは何なのか？これらの答えを見つけるために、科学者たちは単に新しい重い粒子を探すだけでなく、既存の地図にある「ひび割れ」をも探しています。彼らは、現在の規則によって極めて稀である、あるいは禁止されているプロセスを追い求め、たった一つの事例を見つけるだけでも、何かが新しく起きていることを示すような現象を狩っています。これらのひび割れを探す上で最も有望な場所の一つが、チャームクォークの世界です。これらは重く不安定な粒子であり、素早く崩壊しますが、その崩壊の際には、対称性の微妙な破れや、アイデンティティの予期せぬ変化を明らかにすることがあります。数十億ものこれらの崩壊を研究することで、研究者たちは私たちの理解の限界をテストし、宇宙が標準模型が予測する通りに振る舞っているのか、それとも新しい理論を必要とする秘密を抱えているのかを見極めることができます。

この探索の中核にあるのは、中国の北京にある巨大な検出器、BESIII実験です。それは、電子とその反物質の相手方である陽電子のビームが衝突し合う貯蔵リングの中に位置しています。これらの衝突は、新しい粒子が誕生し、直ちに崩壊するクリーンな環境を作り出します。研究者たちは、チャームクォークと反チャームクォークが結合した状態である「チャームonium」と呼ばれる特定の粒子の、世界最大級のサンプルを含む膨大なデータを収集してきました。この膨大なデータセットを用いて、チームはいくつかの種類の稀な崩壊に関する包括的なレビューを行い、標準模型が起こらないはずである、あるいは起こったとしても事実上目に見えないほど稀であるはずの物理現象の兆候を探しました。

最初の調査領域は、チャームoniumの弱い崩壊（弱崩壊）に関するものです。標準模型において、これらの粒子は強い相互作用または電磁相互作用を通じて崩壊すると予想されていますが、放射性崩壊を司る弱い相互作用を通じて崩壊する可能性は、ごくわずかな、ほとんど不可能な確率で存在します。研究者たちは、チャームonium粒子が中性DメソンとKスター粒子のペアへと変化するような、特定のパターンを探しました。これらの稀なイベントを見つけるために、彼らは巧妙な手法を用いました。それは、崩壊生成物の一つを再構成することで、通常の粒子衝突による圧倒的な背景ノイズをフィルタリングするという方法です。データを分析した後、彼らはこれらの弱い崩壊の証拠を見つけませんでした。その代わりに、これらのイベントが起こり得る頻度に対して、より厳格で新しい上限を設定し、許容される境界を1,000万分の1というレベルまで押し下げました。この結果は崩壊が起こることを証明するものではありませんが、それがより一般的であると予測していた多くの理論を否定することになります。

次に、チームはフレーバー変化中性流（FCNC）を探索しました。素粒子物理学の言葉では、これはクォークが電気的な電荷を変えずに、その種類、すなわち「フレーバー」を変えるプロセスを指します。標準模型はこの現象を許容していますが、それは非常に複雑で間接的なループを通じてのみ起こるため、極めて稀です。研究者たちは、チャームonium粒子が中性Dメソンと一対のミューオン、あるいは中性Dメソンと光子へと変化する崩壊を調べました。また、特定のエネルギー閾値で生成されるDメソンのペアを含む同様の崩壊も調べました。ペアの一方の粒子をタグ付けすることで、もう一方の粒子を高精度に研究することができました。信号は見つかりませんでした。これらの探索によって設定された限界は、標準模型がこれらのイベントが発生すると予測するレベルに近づいており、もし新しい物理学がこれらの崩壊の中に隠れているとしても、それは非常に微細な形で隠れていることを意味しています。

また、探索は荷電レプトン・フレーバーの破れにも及びました。ニュートリノがフレーバーを変えることができることは知られていますが、標準模型によれば、電子やミューオンのようなより重い粒子が崩壊中にアイデンティティを切り替えることは決してありません。電子がミューオンに、あるいはその逆へと変わるのを見つけることは、新しい物理学の明確な兆候となります。研究者たちは、psi粒子の電子とミューオンへの崩壊、およびエータ粒子の同ペアへの崩壊におけるいくつかの箇所でこれを探しました。彼らは、コライダーのクリーンな環境を利用して、これらの稀なイベントを背景ノイズから区別しました。結果は、そのようなイベントの完全な欠如でした。彼らはこれらのプロセスに対してこれまでで最も厳しい制限を確立し、フレーバーの入れ替えが高い割合で起こると予測していた多くのモデルを事実上排除しました。これらの無結果（null results）は、そのような破れを引き起こす可能性のある理論的な力に対して、強力な制約を課しています。

最後に、チームは自然界の根本的な原理であるボース対称性を調査しました。この規則は、スピンがゼロである二つの同一粒子（例えば二つの中性K中間子）は、特定の量子力学的性質を破るような状態で存在することはできないというものです。チャームonium崩壊から生成される二つの中性K中間子の特定のケースにおいて、標準模型は、微小な対称性の破れが生じない限り、そのイベントは禁止されていると予測しています。研究者たちは、二つの中性K中間子の同時生成を探しました。彼らはそのようなイベントを見つけませんでした。彼らが設定した限界は非常に低く、量子重力や局所性の破れを伴う、絡み合った粒子がこれらの規則を破るように振る舞う可能性を示唆する提案された理論の予測を下回っています。しかし、結果は、標準模型内の既知の源泉によって引き起こされる、極めて小さな破れのレベルを上回っています。

要約すると、BESIIIコラボレーションは、世界最大のチャーム粒子サンプルを用いて、稀な崩壊および禁止された崩壊に対する現在最も感度の高い探索を行いました。彼らは、自身が追い求めていた新しい物理学の証拠を見つけることはできませんでした。その代わりに、彼らは標準模型の周囲によりタイトな円を描き、自然が驚くべき精度でその規則に従っていることを示しました。新しい粒子や力が発見されたわけではありませんが、この研究は決して終わったわけではありません。実験は、衝突の数を増やし、粒子を追跡する能力を向上させるアップグレードを受ける予定です。より多くのデータとより優れたツールとともに、物理学の地図にある最小のひび割れを探す探索は、いつの日か、たった一つの稀なイベントが宇宙についてのより深い真実を明らかにするという希望に突き動かされて、続いていくことでしょう。