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