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last update:06/08/03 |
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 「見えない」粒子を見つける 2006.8.3 |
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〜 Belle実験のタウ・ニュートリノ事象 〜 |
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「エレクトロニクス」という言葉でおなじみの電子は私たちの宇宙を構成するもっとも基本的な粒子の一種ですが、この電子にはミュー粒子やタウ粒子（τ）という「兄弟」のような素粒子がいます。さらにこれらの粒子とペアを組む三種類のニュートリノがあり、これらは「レプトン」と呼ばれています。 Ｂ中間子からタウ粒子とニュートリノへ崩壊する珍しい事象を捉えたBelle実験グループの最新成果についてご紹介しましょう。 測定器をすりぬける粒子 ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないために「見えない」粒子ですが、近年スーパーカミオカンデやカムランドの実験などで大変興味深い事実が数多く見つかり、高い注目を集めています。 ニュートリノの特徴は「物質とほとんど反応しない」ということです。このためスーパーカミオカンデなどでは直径40メートルの巨大なタンクに蓄えた水がニュートリノと反応するようにしていますが、それでも反応を見ることができるのは１兆回に１回程度にすぎません。大部分のニュートリノは素通りしていってしまうのです。 Belle測定器の場合はさまざまな測定器を組み合わせて、発生する粒子の軌跡やエネルギーを三次元的に捉えますが、ニュートリノは測定器と反応することなく、素通りしていってしまいます。このため、Belle測定器でニュートリノを含む事象を観測すると、事象全体のエネルギーが足りないように見えます。この「失われたエネルギー」がある事象を見つけることが、Belle測定器でニュートリノ事象を捉える際のポイントです。 未知の物理現象を探る道具に 一方のタウ粒子は1975年にパールらによって発見されました。電子の約3500倍の重さを持ち、３兆分の１秒という短い時間で電子やミュー粒子とニュートリノなどに崩壊します。Ｂファクトリーで大量に作り出されるＢ中間子は電子の約１万倍の重さを持っていて、タウ粒子を含んだ崩壊事象を調べるのにも向いています。 Ｂ中間子がこのニュートリノの発生を伴って崩壊する現象は新しい物理法則があった場合に感度が高いことから重要であると考えられてきました（図１）。今回KEKのBelle実験で６億事象を越えるＢ中間子・反Ｂ中間子対の崩壊データが蓄積されたことから、Ｂ中間子がτν（タウとニュートリノ）に崩壊する事象が初めて17個確認されました（図２）。 このうちタウはすぐに崩壊してさらにニュートリノを放出することからこの２種類の崩壊はいずれも２個以上のニュートリノを含む粒子群に壊れ、測定は極めて困難です。 この測定のためには、まず対で作られるＢ中間子・反Ｂ中間子のうちの一方の崩壊過程を完全に再構成し、データからその崩壊で発生した粒子を取り除いた後に残った粒子のエネルギーや運動量の測定から見えないニュートリノを伴っていると解釈される事象が見つけ出すことが必要です（図３）。この測定の重要性は、かねてから指摘されてはいましたが崩壊分岐比が小さいこととデータ解析の困難さによって実現には途方もなく長い時間がかかるものと考えられてきました。KEKB加速器の性能が順調に向上したこととデータ解析上の技術が飛躍的に進歩したことによって今回の発見が可能となったものです。 超対称性理論で予言される粒子に制約 素粒子物理学における新しい物理法則の有力な候補は超対称性理論と呼ばれるもので、この理論が正しければ、荷電ヒッグス粒子と呼ばれる新しい粒子が存在することが予言されています。この粒子は今回測定されたタウとニュートリノへの崩壊に関係し、その質量などによって崩壊分岐比が変化することから、この分岐比の測定によって質量が推定できると考えられています。今回発表したはじめての測定結果では崩壊分岐比が測定精度の範囲で標準理論の予言に一致し、この粒子の存在を立証するような値にはなっていません。 逆にこの粒子の存在を仮定した場合、その質量に図４に示すような強い制限がつけられることになります。この荷電ヒッグス粒子を探そうとする試みはかつて欧州合同原子核研究機関（CERN）、米国フェルミ国立加速器研究所（FNAL）などで行われ、「こういう質量範囲には見当たらない」という結果がいくつか得られていますが、今回の測定の結果、これらに比べて大変強い制限が得られました。 今回のようなニュートリノを伴った崩壊の測定が可能になったことによって近い将来、D*τν（D*中間子、タウとニュートリノ）、K*νν（K*中間子とニュートリノ２個）などの他の興味ある崩壊モードの観測も可能となり、Bファクトリーで研究することのできる物理が広がることが期待されます。今後さらにデータ量を蓄積し、これらの測定を手がかりに新しい物理法則の探索を進めることがBファクトリーの課題であると考えられます。 今回の結果は7月26日からモスクワで開催された第33回高エネルギー物理学国際会議において発表されました。
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