物理学者らは、これまで仮説の上でしか存在していなかった「グルーボール」と呼ばれる、素粒子の不思議な結合状態を発見したかも知れない。少なくとも、彼らの実験の結果はその存在を示している。これが事実であった場合、物理学史における画期的な発見となるであることは間違いない。
グルーボールとは何か？
「グルーボール」とは、グルーオンと呼ばれる強い核力の担い手同士の不思議な相互作用である。
グルーオンは、クォークを一つにまとめる核力を提供し、原子の安定性を保つ役割を担っている。
ここで高校の授業を思い出してみよう。原子核の中心には陽子があると習ったはずだ。陽子は3つのクォークからできていて、強い核力による正味の電荷を持っていない。そのため、3つのクォークの電荷を相殺する必要がある。プラスやマイナスの電荷とは異なり、クォークの電荷は青、緑、赤といった異なる色で呼ばれる。青、緑、赤の3つのクォークが一緒になると、光の三原色が混じり合うと白い光を作り出すように、互いの電荷が相殺されるのだ。
しかし、1つのクォークと1つの反クォークでできている中間子と呼ばれる粒子もある。これらも色を持たないので、反青、反緑、反赤が存在することになる。グルーオンは強い核力を持ち、グルーオンはクォークと相互作用するが、クォークを必要とせず他のグルーオンとも相互作用する。そこで、物理学者が「グルーオン同士はくっつくはずだから存在するはずだ」と考えた存在がグルーボールだ。グルーボールは、実際に観測されたものではなく理論上の命題でしかなかった。
個々のグルーオンには物質は含まれず、ただ力を伝えるだけだが、グルーボールにはグルーオンの相互作用によって生み出される質量がある。もしそれを見つけることができれば、素粒子物理学の標準模型としても知られる、宇宙の仕組みに関する我々の現在の理解が本当に正しいことを示すもうひとつの証拠となる。
しかし、このような粒子を衝突型加速器の実験で検出するのは非常に難しい。実際これまで発見されてこなかった。
コンピュータの性能向上が突破口に
グルーボールがあまり注目されなかった理由のひとつは、物理学者がその期待される性質を計算するのが難しいと考えたからである。だが高性能計算機の出現により、LatticeQCDのような手法が登場した。
これらの技法は時空を離散的な格子として扱い、より小さな間隔を使って大規模な現象の予測を行う。
この技術を用いて物理学者は、最も軽いグルーボールはスピンも電荷も持たず、質量は2.3から2.6GeV/c²の間であろうと見積もっている。グルーボールを実験的に観測するために、北京スペクトロメーターIIIの物理学者は、少し重い粒子を作り、それが崩壊するのを観察した。北京スペクトロメーターIII（BES III）は、特定のタイプの中間子を形成するのに優れた粒子衝突型加速器である。
J/ψ粒子が崩壊するとき、26パーセントの確率で光子が生成され、9パーセントの確率で光子と2つのグルーオンに崩壊するが、64パーセントの確率で3つのグルーオンに完全に崩壊するとBig Thinkは報告している。
最近の研究論文で、BES IIIの科学者たちは新しい複合粒子X (2370)を検出したと発表した。括弧内の数字は、光速の2乗を超えるメガエレクトロンボルトの質量を表す。粒子の質量をグラムやオンスで測ると小数点以下が多くなる。しかし、2370は最初の推定値に過ぎない。最新の研究では、実際の質量は2395MeV/c2程度であり、理論的にはその質量でグルーボールが存在することが期待されている。さらなる研究の結果、2395 MeV/c2または2.395 GeV/c²と決定され、これは、グルーボールの質量予測と一致した。
さらに重要なことに、この粒子はスピンを持たず、統計的有意性は11.7-σである。これはゴールドスタンダードの5-σをはるかに上回っており、この発見が偶然である可能性は0.00006パーセントであることを示唆している。
これは、科学者がグルーボールを発見したという決定的な証拠ではないが、それでも、標準模型が予言するグルーボールが存在することを指示する強い結果であり、もしかしたら、科学者は初めてその存在を垣間見たのかもしれない。
論文
- Phisical Review Letters: Determination of Spin-Parity Quantum Numbers of X(2370) as 0−+ from J/ψ→γK0SK0Sη′
参考文献
コメント