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理研と京大、新粒子候補テトラクォークZc(3900)の正体を解明
新粒子候補テトラクォークZc(3900)の正体
―大規模数値シミュレーションで解明―
<要旨>
理化学研究所(理研)仁科加速器研究センター初田量子ハドロン物理学研究室の池田陽一客員研究員、土井琢身専任研究員、初田哲男主任研究員、京都大学基礎物理学研究所の青木慎也教授らの共同研究グループ(※)「HAL QCD Collaboration[1]」は、スーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションにより、「クォーク[2]」4個から成る新粒子と考えられていた「Zc(3900)[3]」が、クォークの組み替えにより引き起こされる現象、すなわち「しきい値効果[4]」であり、新粒子とは呼べないことを明らかにしました。
クォークは、物質の基本構成要素となる素粒子です。これまで、クォークが2個でできた中間子[5]や、3個でできたバリオン[6]が実験で観測されています。また、近年の加速器実験では、クォーク4個でできたテトラクォークや5個でできたペンタクォークといった新しいクォーク多体系の候補が発見されています。中でもZc(3900)は、クォーク4個からなる新粒子として、国内外の実験施設で相次いで報告されているテトラクォークの代表格です。このテトラクォークは、最終的に2個の中間子(中間子ペア)に崩壊して観測されます。
今回、共同研究グループは、このZc(3900)の正体を明らかにするために、クォークの基礎理論である「量子色力学[7]」に基づいて、4個のクォークがどのように構成されるかについて、大規模数値シミュレーションを行いました。さらに、シミュレーションで得られた中間子ペアの間の相互作用を用いて、「散乱理論[8]」による計算を実行しました。その結果、Zc(3900)は新粒子ではなく、崩壊先の中間子ペアが互いに入れ替わること(遷移)によるしきい値効果であることが明らかになりました。
本研究により、量子色力学に基づいた数値シミュレーションを行うことで、3個より多いクォークからなる新奇なクォーク多体系の性質を解明する理論的道筋がつきました。これにより、素粒子物理学・原子核物理学の理論研究が大きく進展すると期待できます。
本成果は、米国物理学会の学術誌『Physical Review Letters』(12月9日付け)で掲載されました。
本研究は、文部科学省科学研究費補助金新学術領域「計算科学による素粒子・原子核・宇宙の融合」、文部科学省HPCI戦略プログラム分野5「物質と宇宙の起源と構造」、文部科学省ポスト「京」重点課題9「宇宙の基本法則と進化の解明」の支援を受けて実施されました。
※共同研究グループ
理化学研究所 仁科加速器研究センター 初田量子ハドロン物理学研究室
客員研究員 池田 陽一(いけだ よういち)(国立大学法人大阪大学 核物理研究センター 特任助教)
主任研究員 初田 哲男(はつだ てつお)
専任研究員 土井 琢身(どい たくみ)
京都大学 基礎物理学研究所
教授 青木 慎也(あおき しんや)
大阪大学 核物理研究センター
准教授 石井 理修(いしい のりよし)
<背景>
私たちの身の回りの物質は原子でできています。原子は、電子と原子核から成り立ち、原子核は核子(陽子と中性子の総称)で構成されています。核子はクォーク3個からできていますが、このようなクォークの複合体の総称を「ハドロン」といいます。現在までに、核子や、湯川秀樹博士が提唱したπ(パイ)中間子をはじめとして、約500種類ものハドロンが存在することが知られており、ハドロンはクォークが2個あるいは3個で構成されていると考えられています。
近年、クォーク4個のテトラクォークや5個のペンタクォークといった新奇なクォーク多体系の候補が実験的に報告され、それらの構造をクォークの基本原理である「量子色力学」から解明することが急務の課題となっています。そのような研究を可能にする方法が「格子量子色力学[7]」です。この方法では、格子状に分割した四次元時空(縦・横・高さに時間軸を加えた空間)上で定式化された量子色力学を、スーパーコンピュータを用いた大規模数値シミュレーションで、近似を用いることなく数値的に解くことができます。しかし、テトラクォークなど新奇なクォーク多体系を正確に理解するには、従来の格子量子色力学では扱いが困難であったクォーク多体系の「離合集散」を取り扱う必要がありました。
*リリース詳細は添付の関連資料を参照