ミューオンは第２世代の荷電レプトン粒子であり、第１世代の電子とよく似た性質を持ちます。 質量は電子の200 倍。有限の寿命(約2.2 μs) を持ち、ほとんどの場合、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(および、ニュートリノ) が主に地表へ到達します。

図１：物質を構成する素粒子(クォークとレプトン)の一覧

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、人工的にミューオンを大量に生成することで、精度の良い実験を行うことができます。 新潟大学高エネルギー物理学研究室では、J-PARC で行われるmuon g-2/EDM 実験とCOMET 実験に参加して、研究しています。

図１：J-PARC MLF のミューオンビームライン(H-line)

ミューオンはスピンに起因して、磁場中では磁石として振舞います。 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、 量子効果まで考慮すると、2 からずれてくることが知られています。 このずれのことを異常磁気能率(g-2:じーまいなすつー) と呼びます。 素粒子標準理論において、ミューオンのg-2 は精度よく計算することができます。 しかし、素粒子標準理論を越えた物理が存在するとミューオンg-2 の値が標準理論の予言値からずれてきます。 そこで、ミューオンのg-2 を精度よく測定することで理論予言値からのずれの有無を検証します。 2023 年にアメリカのフェルミ国立研究所が最も精度の高い測定結果を発表し、現在は、理論と実験の間で5σ を越える大きなずれが見えており、 標準理論を越える新物理の兆候ではないかと注目されています。 J-PARC では、アメリカで行われている実験とは異なる手法で、ミューオンのg-2 を測定して、理論と実験の間で見えているずれを検証することを目指しています。

muon g-2/EDM 実験に関する研究活動の詳細はこちら ⇒ page

図１：J-PARC muon g-2/EDM 実験の概要

ニュートリノ(中性レプトン) やクォークにおいては、元々のニュートリノ・クォークが別の種類のニュートリノ・クォークに変換する現象が観測されています。 このような現象は、クォークの場合は、小林益川理論によるクォーク混合、ニュートリノの場合はニュートリノ振動と呼ばれています。 一方、ミューオンのような荷電レプトンにおいてはこのような現象は観測されていません。 素粒子標準理論において、ミューオンが電子に転換する確率は非常に小さく、10^-54 の確率でしか起こりません。 しかし、素粒子標準理論を越えた理論ではこの確率が大きくなる可能性があることが知られています。 そこで、COMET 実験ではJ-PARC で生成された大量のミューオンを利用して、それらが物質中で電子に転換する過程を探索します。