中性子の隠れた磁性、ついに見える

中性子は単独では長く存在できない。陽子、電子、反ニュートリノに崩壊する。これがベータ崩壊で、原子核物理学のいたるところに見られる過程の最も単純な形だ。自由中性子の周りには原子核がないので、その崩壊には、原子核での測定を複雑にする厄介な補正がない。

1950年代の予言

弱い力の理論では、ベクトル流保存と呼ばれる原理が、弱い相互作用の一部を電磁気学と結びつけている。ゲルマンが導入したその代表的な予言の一つが弱磁性だ。電磁気の流れと同じように、弱い力にも磁気に似た項がある。その強さはg_Mと書かれ、陽子と中性子の磁気モーメントによって決まる。予言値は4.71だ。

弱磁性は、Lee、Mo、Wuによる古典的な検証をはじめ、いくつかの原子核の崩壊で観測されている。しかし、最もきれいなケースである自由中性子の崩壊では、これまで直接測定されたことがなかった。

未知数は二つ、測定は一つ

問題は精度ではない。最も感度の高い量はベータ非対称性だ。電子は中性子のスピンに対してあらゆる方向に均等に飛び出すわけではない。弱磁性はこの非対称性を約1.4%ずらす。これは最良の実験PERKEO IIIの精度の8倍にあたる。

ところが非対称性は、二つ目の数λにも依存する。λは崩壊の二つの主要な結合の比だ。一回の測定ではこの二つを区別できない。そのため実験家たちは、弱磁性を予言値に固定し、非対称性を使ってλを測ってきた。

行き詰まりを打開する

IFIC（バレンシア）のMiriam Camarasa-DomeneとMartín González-Alonso、そしてIFICとIFAE（バルセロナ）のMartín Novoa-Brunetは、λを別のところから得た。よく測定された二つの量が、それだけでλを決めるのだ。

• 中性子の寿命。素粒子データグループ（Particle Data Group）の選定値で878.36秒。
• 弱い力のベクトル部分だけを通じて起こる特別な原子核崩壊の「Ft値」。3,070.01秒。

この二つは r_n τ_n (1 + 3λ²) = 2 Ft という関係で結ばれており、そこから λ = −1.27598 が得られる。λが確定すれば、非対称性の測定は弱磁性を明らかにすることに使える。

5.1シグマ

結果は g_M = 4.47 ± 0.87 で、予言値4.71と一致した。弱磁性のない世界（g_M = 0）は5.1シグマで排除され、5シグマの閾値を上回る。著者らはこれを、自由中性子の崩壊における弱磁性の初観測と呼んでいる。

組み合わせた制約：赤い帯は寿命とFtから、青い帯は非対称性から得られる。両者の交差がg_Mを決め、その値はゼロ（点線）から遠く、予言値（破線）に近い。— Figure 1, Camarasa-Domene, González-Alonso & Novoa-Brunet (2026), arXiv:2610.26792, CC BY 4.0.

中性子のデータには内部の食い違いがあることで知られている。古い非対称性の測定と新しい測定のあいだ、そして寿命を測る二つの方法のあいだの食い違いだ。そこでチームは、データの選び方を変えて解析を繰り返した。有意性は5.0から6.1シグマのあいだにとどまり、互いに整合する現代の非対称性測定だけを使うと6.1まで上がる。著者の一人が共著者となった以前の全体フィットでは、3シグマの兆候が見つかっていた。

また、非対称性のエネルギー依存性が役立つかどうかも調べた。現在の精度では、測定の改善はわずか数パーセントにとどまる。

次の一歩のための三つのてこ

非対称性、寿命、原子核のFt値という三つの入力は、残る不確かさにほぼ同じだけ寄与している。三つのどれかについての新しい測定、あるいは原子核の補正のより良い計算があれば、この初観測は標準模型の精密検証へと変わるだろう。三つの方面すべてで、すでに研究が進められている。