数年に渡るスーパーコンピュータを活用した研究でミュー粒子の謎を解明

Oliver Peckham

ミュー粒子（電子に似た素粒子）は、宇宙に対する理解に関わる謎の中心となっている。数十年前、ブルックヘブン国立研究所で行われたミュー粒子測定は、宇宙の物理的基礎として一般的に理解されている標準モデルと現実世界の測定の間で実際の測定値との間に厄介な不一致が生じた。その数年の間、研究者たちはこの矛盾を決定的に解決することはできなかった。現在、共同研究チームは、アルゴンヌ国立研究所のMiraスーパーコンピュータを利用し、ミュー粒子の挙動の背後にあるとらえどころのない物理的な謎を解明しようと、ミュー粒子実験に戻ってきた。

その原因はミュー粒子の「磁気モーメント」、つまり磁場と相互作用したときにミュー粒子がどのように動くかということである。理論上、ミュー粒子の磁気モーメントはかなり大きいと考えられているが、ブルックヘブンの実験では、ごくわずかであった。コネチカット大学の物理学者でこの論文の共著者であるThomas Blumは、ブルックヘブンのChristina Nunezとのインタビューで、「計算と測定の両方の不確実性を考慮した場合、これが実際の不一致なのか、単なる統計的なゆらぎなのかはわかりません」と述べた。「したがって、実験家も理論家も、結果のシャープさを向上させようとしているのです。」

研究者たちは、ミュー粒子に影響を与える、「ハドロンの寄与」によってミュー粒子の解析に大きな不確実性をもたらす強い力（弱い力、電磁力や重力とは異なる）に着目した。研究チームは、量子色力学（QCD）と呼ばれる理論を適用して、これらの不確実性に取り組んだ。

共著者でコネチカット大学の物理学者でもあるLuchang Jinは「計算を行うために、我々が興味を持っている光による光散乱過程を含む小さな立方体の箱の中で量子場をシミュレーションします」と述べている。「シミュレーションでは、時間的にも空間的にも何百万ポイントもの処理を簡単に終わらせることができます。」

これらの数百万点を処理するために、研究者たちは、BlueGene/Q Power 16C 1.6GHzプロセッサを搭載したアルゴンヌのIBMスーパーコンピュータ「Mira」に目をつけた。8.6 Linpackペタフロップスで評価されていたMiraは、2019年末に廃止された。「Miraはこの作業に理想的に適していました」と、アルゴンヌ国立研究所の計算科学部門の計算科学者であるJames Osbornは述べた。「非常に高速なネットワークで接続された約5万ノードの超並列システムにより、チームは大規模なシミュレーションを非常に効率的に実行することができました。」

この研究は4年間続き、その後ようやくチームは、この難解な「光による散乱」のプロセスで初めての結果を得た。しかし残念ながら、それは彼らが期待していた結果ではなかった。

「この研究は非常に困難なものであったため、長い間、多くの人は、この貢献が矛盾を説明すると考えていました」とBlumは語った。「しかし、我々は以前の推定値が大きく外れていないことを発見し、真の値では矛盾を説明できないことを発見しました。我々の知る限りでは、この乖離はまだ続いています。この結果が新しい物理学を指し示すのか、それとも現在の標準モデルが自然界を説明するための最良の理論であるのかを見守るため待っているところです。」

もちろん、ミュー粒子問題に取り組んでいる研究者たちは、自分たちが長期的な研究をしていることを理解している。すでにフェルミ国立加速器研究所では、実験の不確実性を4分の1に削減するための研究が進められている。

「物理学者たちは、1940年代以来、正確な理論計算と正確な実験を比較すること比較することで、ミュー粒子の異常な磁気モーメントを理解しようとしてきました」と、論文の共著者であるブルックヘブンの物理学者、井渕卓は述べている。「この一連の作業は素粒子物理学の多くの発見につながり、理論と実験の両方で我々の知識と能力の限界を拡大し続けているのです。」

ヘッダー画像：Miraを背景にしたハドロン光散乱過程の図。画像提供：Luchang Jin