CERNが新発見の「エキゾチック粒子」3つを報告、新たな「粒子動物園」の時代の幕開けと研究者

by CERN

欧州合同原子核研究機関(CERN)が2022年7月5日に、大型ハドロン衝突型加速器を用いたLHCb実験により、既存の枠に収まらない新しい亜原子粒子を3つ観測することに成功したと発表しました。この発見により原子の構造や物質のなりたちについての理解が深まると期待されています。

Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.
https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2022/07/05/observation-of-a-strange-pentaquark-a-doubly-charged-tetraquark-and-its-neutral-partner/

LHCb discovers three new exotic particles | CERN
https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-three-new-exotic-particles

素粒子の一種であるクォークには、アップ・ダウン・チャーム・ストレンジ・トップ・ボトムの6つの種類(フレーバー)があり、これらは通常2個から3個のグループで結合して陽子や中性子といったハドロンを形成します。例えば、陽子はアップクォーク2個とダウンクォーク1個の合計3つのクォークでできたハドロンの一種(バリオン)です。

しかし、ごくまれに4つのクォークでできたテトラクォークや、5つのクォークでできたペンタクォークができることもあります。通常のハドロンの枠組みに収まらない「エキゾチックハドロン(異種ハドロン)」と呼ばれているこれらの粒子は、1960年代に通常のハドロンとともにその存在が予言されていましたが、LHCb実験などによりその候補となる粒子が観測され始めたのは2000年代に入ってからでした。

そして、これまでにもエキゾチックハドロンをいくつも見つけてきたLHCb実験の研究チームは今回、負の電荷を持つB中間子の崩壊の瞬間を分析することで、チャームクォーク・反チャームクォーク・アップクォーク・ダウンクォーク・ストレンジクォークからできたペンタクォークを発見することに成功しました。CERNはこれについて、「素粒子物理学の分野で粒子を観測したと主張するのに必要な5標準偏差をはるかに超える15標準偏差という、驚異的な統計的有意性があります」と説明しています。

以下は、今回見つかったペンタクォークの構造として有力な説を図で表したものです。チャーム(c)・反チャーム(c¯)・アップ(u)・ダウン(d)・ストレンジ(s)クォークが標準ハドロンのペアとして分子のような緩やかな結合を形成しています。ストレンジクォークを含んだペンタクォークの存在が確かめられたのはこれが初めてとのこと。

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また、今回さらにチャーム・反ストレンジ・アップ・反ダウンクォークが強固に結びついた「二重電荷テトラクォーク(左)」と、その対となる中性パートナー(右)も発見されました。

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LHCb実験の物理コーディネーターであるニールス・チューニング氏は発表の中で、「解析すればするほどより多くのエキゾチックハドロンが見つかってきます。これは、ハドロンが次々と見つかった1950年代の『粒子動物園』と、それに続く1960年代のハドロンとクォークモデルの確立に似た状況です。私たちは、いわば『粒子動物園2.0』を作っているのです」とコメントしました。