CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC)のATLAS共同研究グループは、トップ・反トップクォーク生成において統計的有意性が8シグマを超える過剰事象を報告した。これは発見に必要とされる5シグマの基準を大きく上回る。結果は｢Reports on Progress in Physics｣に掲載され、最も重い既知の素粒子が崩壊前に短時間だけ結合する｢トポニウム｣と呼ばれる quasi-bound 状態の形成を示唆している。
トップクォークは標準理論の中でも重量級である。各トップクォークは金原子1個分の質量を持ち、陽子より小さい体積に詰め込まれている。LHCでは陽子が13兆電子ボルトで衝突する際にトップクォーク対が生成される。生成が始まるエネルギー閾値(約345GeV、トップクォーク質量の約2倍)付近では、陽子と電子が水素原子を形成するように、2つのクォークが互いの存在を強く感じて過渡的な束縛状態を形成するはずだと理論は予測している。
この予測は非相対論的量子色力学(NRQCD)の枠組みに根ざしており、数十年にわたって存在してきた。しかし、各衝突の debris が微細な効果をノイズに埋もれさせるハドロン衝突型加速器では実験的に観測不可能と長らく考えられていた。
｢量子情報理論と衝突型加速器物理を結びつける最近の取り組みによってのみ可能になった｣と、シカゴ大学エンリコ・フェルミ研究所のATLAS物理学者Yoav Afik氏は述べた。
この分析では、トップクォーク対の量子もつれに関する先行研究から開発されたスピン相関観測量を利用し、閾値付近でのトップ・反トップ系のユニークなスピン構造に対する感度を高めた。Run 2データの140インバース・フェムトバーンを用いて、共同研究グループは quasi-bound トポニウム状態の断面積を9.3ピコバーンと測定した。これは摂動QCDのベースライン予測である6.43ピコバーンより約45%大きい。トポニウムを含まない標準理論のみの仮説は、観測8.2シグマ(期待値6.0シグマ)で否定された。
この結果は1年前にCMS共同研究グループによって予見されていた。2025年3月、CMSはイタリアアルプスで開催されたRencontres de Moriond会議で5シグマを超える信号の最初の兆候を発表した。その後数ヶ月にわたり、両実験はこの発見を相互検証した。2025年7月までにATLASは独立に7.7シグマの過剰事象を確認し、両共同研究グループはマルセイユのEPS-HEP会議で合同結果を発表した。
｢検出が困難すぎると考えられていた非相対論的QCD効果の観測は、LHC実験プログラムにとって大きな勝利である｣と、当時のCMS報道官Gautier Hamel de Monchenault氏は2025年の声明で述べた。
過剰事象はカラーシングレット、スピンシングレットS波 quasi-bound 状態の形をとっており、理論家が長年予測しながらも検出できなかった擬スカラートポニウム粒子と一致する構成である。ATLASの断面積測定値9.3ピコバーンはCMSの先行測定値8.8ピコバーンとよく一致しており、それぞれの不確実性の範囲内でのみ異なる。
｢これはトップクォーク物理とそのモデリングに関する現在の理解を極限まで押し広げる非常にエキサイティングな発見である｣とAfik氏は述べた。
信号が標準理論のNRQCD効果で完全に説明できるのか、それとも345GeV付近の追加ヒッグス様ボソンがトップクォークに崩壊するような exotic な寄与も関与しているのかは、依然として中心的な疑問である。キングス・カレッジ・ロンドンとCERNの理論物理学者John Ellis氏は、2025年にCMSの結果が初めて現れた際に｢CMSが報告した信号は、確認されれば、一般に｢トポニウム｣と呼ばれる quasi-bound トップ・反トップ中間子、あるいは追加ヒッグスボソンを含むモデルに現れるような素性スピンゼロボソン、あるいはその両方の組み合わせによる可能性がある｣と指摘した。
現在進行中のLHC Run 3は、この分析で使用されたRun 2データセットの2倍以上の積分ルミノシティを既に収集しており、これらの可能性を識別するために必要な統計量を提供するはずである。
CERNの上級研究員Baptiste Ravina氏は｢新たに収集されたRun 3データセットは、この最初の分析で使用されたRun 2データセットの2倍以上あり、この過剰事象をはるかに詳細に精査し、非相対論的QCD効果のみで説明できるのか、それともさらに何かがあるのかを判断できるようになる｣と述べた。
トポニウムであれ偽装者であれ、この結果はハドロン衝突型加速器物理の範囲を超えると長らく考えられていた微細な閾値効果が初めて明確に焦点化されたことを示す。チャームクォーク発見(現代の重フレーバー物理の誕生となった出来事)から半世紀後にトポニウムを発見することは、Ellis氏が最初の兆候が現れた際に述べたように、素粒子物理にとって｢予期せぬ歓迎すべき金婚式の贈り物｣となるだろう。
Source
The ATLAS Collaboration. ｢Observation of a cross-section enhancement near the ttbar production threshold in sqrt(s)=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector.｣ Reports on Progress in Physics, Volume 89, Number 5. DOI: 10.1088/1361-6633/ae60a0. Published 7 May 2026.
雅子 訳