CERN の大型ハドロン衝突型加速器にある CMS 検出器は陽子の衝突を分析しましたが、クォークの内部構造の証拠は見つかりませんでした。この研究では、LHC の運用の第 2 段階からのデータが使用され、最大 10⁻²⁰ メートルのスケールがテストされました。この結果は、素粒子物理学の現在のモデルを補強するものです。
クォークは陽子と中性子を形成し、それらが通常の物質を構成します。理論では、それらは小さな部分を持たない点粒子として説明されます。以前の実験ではこの見解が確認されていますが、より深い層の探索は続けられています。新しい研究は観測限界を前進させます。
ラザフォードは現在の捜査方法を指導した
この実験は、1911 年にアーネスト・ラザフォードが使用した原理に従っています。彼は金箔にアルファ粒子を照射し、散乱角を観察しました。ほとんどは直進したが、一部は跳ね返った。これにより、原子核が中心に集中していることが分かりました。
LHC では、陽子の衝突によってこれらの陽子がクォークに破壊されます。クォークは粒子のジェットとして出てきます。 CMS は、これらのジェット間の角度の分布を測定します。クォークに内部構造がある場合、ジェットの形状は特定のエネルギーで変化します。収集されたデータには、このような重大な逸脱は示されていません。
チームは 100 万件以上のイベントを調査しました。角度分布は、点粒子の標準モデルの予測と一致します。高質量範囲では小さな差が現れますが、統計的および体系的な不確実性の範囲内に収まります。
分析には 13 TeV で 138 fb⁻¹ のデータが使用されます
この研究は、13テラ電子ボルトでの衝突に基づいています。積算輝度は138fb⁻¹に達します。研究者らは検出器の効果を補正し、NNLO 順の摂動 QCD 計算と電弱 NLO 補正を比較しました。
- さまざまなダイジェット質量範囲での正規化された角度分布
- 複合クォークシナリオとの直接比較
- クォーク間の接触相互作用の限界
- 余剰次元、量子ブラックホール、暗黒物質メディエーターに対する制約
これまでのところ最も厳しい制限では、特定のエネルギースケールを超える複合クォークが除外されています。左手クォークを使用した参照モデルでは、強め合う干渉の限界は 37 TeV に達します。
クォークは基本ブロックとして残る
物理学はすでにいくつかの革命を経験しています。原子核が発見されるまで、原子は分割できませんでした。 1968 年に SLAC でクォークが確認されるまで、陽子と中性子は初歩的なものだと思われていました。現在、CMS は陽子のサイズの 1,000 倍小さい距離までテストを押し進めています。
下部構造の兆候がなくても、科学者はさらに小さなスケールでの可能性を排除しません。現在の実験では、10⁻²⁰ m を超える構造物が制限されています。これは陽子の直径の約100分の1に相当します。
この結果は、標準モデルを超える他の現象も制約します。グルーオン、アクシオン様粒子、暗黒物質メディエーターの異常な結合には、より厳しい制限が与えられます。この分析は、単一の出版物で複数の理論モデルをカバーしています。
LHC の将来はより高い精度をもたらします
LHC 運用の第 3 フェーズでは、すでに新しいデータが収集されています。 2030 年に予定されている HiLumi LHC のアップグレードにより、衝突率は劇的に増加します。より多くの統計があれば、研究者は散乱角の測定における不確実性を減らすことができます。
より正確な測定により、微妙な偏差が明らかになったり、クォークの点のような挙動がさらに確認される可能性があります。 CMS は、ジェット分布における新しい物理学の兆候の探索を継続する予定です。
私たちの周りの普通の物質はこれらの粒子に依存しています。その組成に関する発見は、暗黒物質や力の統一などの問題を含め、宇宙の理解に影響を与えるでしょう。今のところ、クォークは素粒子としての地位を維持しています。
科学者たちは、証拠がないことは決定的な不在を証明するものではないと強調する。より高いエネルギーや異なる技術を用いた将来の実験では、さらに短い距離を探索できる可能性があります。 LHC は依然としてこのフロンティアの主要ツールです。