B中間子崩壊におけるアノマリーの現状と今後の展望

抄録

約138億年前，宇宙はビッグバンにより始まった．その後，宇宙膨張に伴ってエネルギー密度すなわち温度は下がっていき，現在の宇宙は2.7 K（～10^-4 eV）まで冷えている．この極低温宇宙に住む私たちが，まだ灼熱だった頃の宇宙について理解するには，粒子加速器を使って宇宙初期の状況を再現し，万物の「素」となる素粒子の性質や相互作用について調べることが重要となる．得られた知見は素粒子標準理論としてまとめられ，宇宙開闢からおよそ10-¹⁰秒後，温度にして1,000兆度（～100 GeV）までさかのぼって宇宙の歴史を理解するに至った．ところが，ニュートリノ振動や暗黒物質の存在など，標準理論では説明できない事象も多く，標準理論は低いエネルギー領域での近似理論であって，より高いエネルギー領域には未知の物理法則が存在するという見方が確実視されている．この新物理の尻尾をつかむことが，我々素粒子物理学者に課された使命である．

新物理の探索手法には様々あるが，有力なものとしてB中間子を使う手法がある．B中間子は加速器で大量に生成可能であり，多様な崩壊過程を精密測定することで多角的な新物理検証が可能となる．たとえばm=1 TeVの質量をもった未知の粒子が存在したとしよう．するとB中間子の崩壊において，Δt～ħ /m=10^-27秒の間だけ仮想的に存在することができる．もしB中間子が，この仮想状態を経由して特定の崩壊をすると，B中間子の崩壊パターンが僅かに標準理論からずれるはずで，これを検出しようというわけである．

興味深いことに，近年，B中間子のいくつかの崩壊パターンで標準理論からの系統的な差異が報告され，“Bアノマリー”と呼ばれている．中でも特に注目したいのが，レプトンフレーバー普遍性の破れに関するものである．日本のBelle実験をはじめとするB中間子の精密測定において，B中間子が異なるフレーバーに崩壊するパターンを詳しく調べてみると，3σ以上の統計的有意度で標準理論の予想値とは異なる結果が得られた．これは，レプトンフレーバー普遍性を破る新物理の存在を強く示唆している．

Bアノマリーが新物理によって引き起こされているとすれば，その大きさや性質からO（1）TeVのレプトクォークが新粒子として有力視される．これを受けて，世界最高の衝突エネルギー13 TeVを誇る陽子陽子衝突型加速器LHCを利用したATLASおよびCMS実験にて，新粒子を直接生成し，探索する試みが進められている．両実験におけるレプトクォーク探索は，現状でおよそ1 TeVの質量領域に到達している．まだ直接観測には至ってはいないものの，Bアノマリーから予言される新物理のエネルギー領域に手が届きつつある．

以上のように，Bアノマリーに関する実験的研究は，B中間子崩壊の精密測定による“間接探索”と世界最高エネルギーの加速器を用いた“直接探索”の両輪によって，近年急速に進展してきた．今後，Belle実験から測定精度を大きく向上させたBelle II実験や，LHC加速器を用いて行われているLHCb実験とでBアノマリーの検証を継続していく．またATLASやCMS実験でも加速器性能の向上により感度が良くなっていく．今後10年内に，Bアノマリーの是非に対して，決着がつくだろう．