理研、陽子内部のグルーオンの向きを精密測定することに成功

陽子内部のグルーオンの向きを精密測定
−陽子の向きの謎を解明するための大きな一歩−


＜要旨＞
　理化学研究所（理研）仁科加速器研究センター理研BNL研究センター実験研究グループの秋葉康之グループリーダー、後藤雄二理研BNL研究センター研究員、尹寅碩（ユン・インソク）国際プログラム・アソシエイトらが参画する国際共同研究グループは、米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）の偏極陽子衝突型加速器「RHIC（リック）」［１］を使って、これまでで最高の衝突エネルギー５１０GeV（ギガエレクトロンボルト、ギガ＝１０億）で陽子内部のグルーオンの向きを精密測定することに成功しました。

　陽子には内部構造があり、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子により構成されています。グルーオンはクォークを結びつける「のり」の役割をする素粒子です。全ての粒子は地球の自転に似た「スピン」と呼ばれる「向き」を表す固有の性質を持っており、陽子の向きは“陽子内部のクォークの向きの合計で決まっている”と考えられていました。しかし１９８０年代に、光を用いて陽子内部のクォークを調べたところ、その向きだけでは陽子の向きを説明できないことが分かり、「陽子の向き（スピン）の謎」として原子核物理学の大きな問題となりました。

　この謎を解明するためには、陽子の内部にあり光とは直接反応しないグルーオンを調べることが必要でした。これを実現したのが向きを揃えた陽子（偏極陽子）同士を高エネルギーで衝突させることができるRHICです。RHICでの偏極陽子加速は理研とBNLの国際協力により実現しました。陽子同士を衝突させると陽子内部のグルーオンの衝突が起こり、中性π（パイ）中間子［２］が生成されるため、これを用いて内部のグルーオンを調べることができます。

　理研の実験研究グループが参画するRHIC加速器のPHENIX実験［３］では、中性π（パイ）中間子の陽子の向きによる非対称度（アシンメトリ）［４］を測定しており、２００３年〜２００９年には、陽子を２００GeVのエネルギーで衝突させる実験を行いました。この結果から摂動QCD（Quantum　Chromodynamics、量子色力学）［５］という理論により内部のグルーオンの向きを計算することができますが、このエネルギーでの衝突実験の測定だけでは、陽子内部の全てのエネルギーのグルーオンを測定したことにはなりません。そのため、２０１２年〜２０１３年にかけてRHICの最高衝突エネルギーである５１０GeV、５５％以上の陽子偏極度（陽子の向きが揃っている割合）による衝突実験を行いました。

　衝突エネルギーを高くすると、逆に陽子内部のエネルギーの低いグルーオンに対する感度が高くなるため、今回の実験ではこれまでで最もエネルギーの低いグルーオンを測定したことになります。５１０GeVの実験データは、２００GeVでの測定よりも大きい正の非対称度を示しました。これは、摂動QCD計算からも予測されたことで、低いグルーオンのエネルギー領域でも摂動QCDが有効な理論であり、グルーオンの向きの精密測定に利用できることを示しました。これは、陽子の向きの謎の全容解明に向けた大きな一歩です。

　本研究は、米国の科学雑誌『Physical　Review　D　Rapid　Communications』（オンライン版（１月７日付け）に掲載されました。


＜背景＞
　原子核を構成する陽子は、大きいエネルギーを担う２個のアップ（u）クォークと１個のダウン（d）クォーク、さらに小さいエネルギーを担うクォークと反クォーク、およびこれらのクォークを強い相互作用で結びつけるグルーオンという素粒子で構成されています（図１）。つまり、グルーオンはクォークを結びつける「のり」の役割をしています。

　全ての粒子は、地球の自転に似た「スピン」と呼ばれる粒子の「向き」を表す固有の性質を持っています。スピン（向き）は、素粒子間の反応や素粒子の崩壊を支配しているだけでなく、実用面でも、陽子スピンを利用した核磁気共鳴画像法（MRI）など、物質の性質分析にも使われています。

　陽子の向きは“陽子内部のクォークの向きの合計で決まっている”と考えられていました。しかし、１９８０年代に欧州原子核研究所（CERN）が行った光を用いて陽子内部のクォークを調べる実験などによって、陽子の向きに対してクォークの向きを合計すると全体の２０〜３０％に過ぎないことが判明しました。この「陽子の向き（スピン）の謎」の解明が原子核物理学の重要な課題とされています。

　この謎を解明するためには、陽子内部にあり電荷を持たず光とは直接反応しないグルーオンを調べることが必要です。これを実現したのが偏極陽子（向きを揃えた陽子）を高エネルギーで衝突させる米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）の偏極陽子衝突型加速器「RHIC（リック）」（図２）です。

　陽子を単に加速すると、陽子が加速器中を何周も飛び回っている間に、陽子の向きはバラバラになります。理研とBNLの国際共同グループは、陽子の向きを揃えた（偏極陽子）ビームを実現するために、陽子の向きを保持する「シベリアの蛇」と呼ぶ特別な磁石（図３）を開発しました。この「シベリアの蛇」の働きで、２００１年に偏極陽子ビームを加速し衝突させることに世界で初めて成功し、RHIC加速器を用いて陽子の向きに対するグルーオンの向きをはじめとし、陽子の内部構造を理解するため、偏極陽子を衝突させる実験を開始しました。


＜研究手法と成果＞
　理研の実験研究グループが参画するPHENIX実験では、中央検出器（図４）を用いてRHICの偏極陽子衝突で生成した中性π（パイ）中間子の陽子の向きによる非対称度（アシンメトリ）を測定しています。陽子同士を衝突させると、陽子内部のグルーオンの衝突が起こり中性π（パイ）中間子が生成されるため、その非対称度は陽子内部のグルーオンの向きを測定していることになります。２００３年〜２００９年には、偏極陽子を２００GeVのエネルギーで衝突させる実験を行いました。このときの結果では、STAR実験［６］のジェット［７］による非対称度の測定と合わせて、陽子の向きに対するグルーオンの向きの寄与は５％〜４５％と、クォークの向きの寄与と同程度であることが分かりました。注）

　注）D．de　Florian，R．Sassot，M．Stratmann　and　W．Vogelsang，“Evidence　for　polarization　of　gluons　in　the　proton，”Phys．Rev．Lett．１１３，０１２００１（２０１４）；E．R．Nocera　et　al．［NNPDF　Collaboration］，“A　first　unbiased　global　determination　of　polarized　PDFs　and　their　uncertainties，”Nucl．Phys．B　８８７，２７６（２０１４）．

　ただ、２００GeVのエネルギーでの衝突実験の測定だけでは、陽子内部の全てのエネルギーのグルーオンの向きを測定したことにはならないため、２０１２年〜２０１３年にかけてRHICの最大衝突エネルギーである５１０GeV、５５％以上の陽子偏極度（陽子の向きが揃っている割合）による衝突実験を行い、極めて高い精度の実験データを収集しました。

　衝突エネルギーを高くすると、陽子内部の低いエネルギーのグルーオンに対する感度が高くなります。そのため、２０１２年〜２０１３年の測定結果はこれまでで最も低いエネルギーの陽子内部のグルーオンの向きを測定したことになります。測定の結果、図５に示すように、生成された中性π（パイ）中間子はグルーオンの向きを反映して正の非対称度を持っていました。理論計算により、衝突エネルギー５１０GeVでの非対称度の測定は、実験研究グループがこれまで測定した２００GeV以下での測定よりも大きな非対称度となることが示されていましたが、実験データはこれを支持する結果となりました。


＜今後の期待＞
　国際共同研究グループは、陽子の向きに対してグルーオンの向きが担う割合の測定精度をさらに上げるため、中性π（パイ）中間子に加え、PHENIX中央検出器によって得た荷電π（パイ）中間子［２］の非対称度の解析を進め、データを増やしています。また、前方検出器（図４）を用いた中性π（パイ）中間子の非対称度の解析も進んでいます。前方検出器を用いると、今回の実験よりも陽子内部のより低いエネルギーのグルーオンの向きの測定が可能となります。

　現行のPHENIX検出器を用いたグルーオンの向きの測定実験は、２０１５年をもって一旦終了しますが、２０２１年以降、PHENIX検出器をさらに高度化し測定実験を行う計画です。ここではπ（パイ）中間子に加えて、ジェットや重いフレーバー粒子［８］の生成に対する非対称度の測定を高精度で行う予定で、これにより陽子の向きに対するグルーオンの向きの寄与の決定精度がさらに上がります。


＜原論文情報＞
　・A．Adare　et　al．［PHENIX　Collaboration］，"Inclusive　cross　section　and　double−helicity　asymmetry　for　π０　production　at　midrapidity　in　p＋p　collisions　at　√s　＝５１０　GeV．"DOI：１０．１１０３／PhysRevD．９３．０１１５０１


＜発表者＞
　理化学研究所
　仁科加速器研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/rnc/）理研BNL研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/rnc/riken_bnl/）実験研究グループ（http://www.riken.jp/research/labs/rnc/riken_bnl/exp/）
　グループリーダー　秋葉　康之
　理研BNL研究センター研究員　後藤　雄二
　国際プログラム・アソシエイト　尹　寅碩


　※補足説明・図１〜図５は添付の関連資料を参照