2003 年 8 月、日本の KEKB 粒子加速器での実験で、予想外の粒子のヒントが発見されました。クォークと呼ばれる基本ビルディング ブロックの複合体であり、中間子のような 2 つのクォークや、すべての可視物質を構成する陽子と中性子のような 3 つのクォークではなく、 4 — 理論物理学者が自然の法則が許さないと考えるようになった数。この候補の「テトラクォーク」は、素粒子と呼ぶには無理があるほど急速に崩壊しました。しかし、世界中の実験で同様の構造が出現したため、専門家の間で、量子スケールでの物質の正しい姿について激しい議論が巻き起こりました。
ほとんどの人は、テトラクォークは新しい種類のミニチュア分子であると信じていました。基本的には、それぞれが 1 つの正則クォークと 1 つの反物質クォークまたは反クォークでできている 2 つの周回中間子です。同じ小さなスペースに重なっています。
ローマ・サピエンツァ大学の理論家アントニオ・ポロサは後者の立場を取り、対立する派閥についてくすくす笑いながら、「私たちはお互いを憎んでいます」と語った。 「私たちは本当にお互いが嫌いです。」
すべての関係者は、テトラクォークが実在するかどうか確信が持てず、ジュネーブ近くの 17 マイルの陽子衝突リングであるラージ ハドロン コライダーからのデータが明らかになるまでは. 6 月に Physical Review Letters で報告された詳細な測定により、2007 年に日本の加速器で初めて検出され、Z(4430) と指定された粒子が明確にテトラクォークであることが確認されました。現在、この発見により、物理学者はクォーク相互作用の単純な図を拡張するか、最終的にはより微妙な理解に置き換える必要があります.
そして、賛否両論あるが、Z(4430) の特性は明らかに弱者の「ダイクォーク モデル」と、テトラクォークが本物の粒子であるという仮説を支持している。そのような状態の存在は、エキゾチックな「ハドロン」、または 4 つ以上のグループを含むクォークでできた粒子の動物園を示唆しています。それはまた、仮想の「クォーク星」のコア、初期の宇宙を飽和させたと考えられている熱々のクォークスープ、そして家の近くにある通常の物質の陽子と中性子のビルディングブロックを形成する可能性のある微妙な量子相互作用を証明するでしょう。 /P>
「正直に言うと、この粒子に関しては、他の解釈はあまり支持できない」と、ダイクォーク モデルの創始者の 1 人である Polosa は言いました。
しかし、競合する分子モデルの支持者は同意しません。彼らの考えでは、テトラクォークは、存在するハドロンは 2 クォーク粒子と 3 クォーク粒子だけであるという定説に異議を唱えることなく、通常の原子スケールより下の化学に関与するメソンの、斬新ではあるがより保守的な物語を語っています。イスラエルのテルアビブ大学の素粒子物理学者であるマレク・カーライナーは、Z(4430) はテトラクォークであり、2 種類の中間子が分子として混ざり合ったどの組み合わせとも似ていないように見えるため、確かに「それを難しくしている」と述べています。しかし、ダイクォークモデルにはそれ自体の問題があると彼は言いました.
各モデルは、別の観点からは当惑しているように見える 20 ほどのテトラクォークの候補のいくつかを説明できるため、最近、第 3 の見解が支持されています。単純なモデルはどれも不十分であるという信念です。オハイオ州立大学の理論物理学者である Eric Braaten は、「これらのモデルはすべて、真実の側面を持っている可能性があります」と述べていますが、象のさまざまな部分に遭遇したことわざの盲目の男性のように、「象を全体的に説明することはできません。」
ダイクォークと分子モデルはどちらも、テトラクォークが登場する前の半世紀の間、説明がつかない場合でも完全に機能していたハドロンの漫画的な絵を救おうとする試みです。この「クォーク モデル」は、陽子を 3 つの肥大化したクォークで構成されているかのように扱い、それぞれがその総質量の 3 分の 1 を占めています。しかし、陽子 (および他のハドロン) 内のクォークは実際にはそれらの合計よりもはるかに軽く、それぞれが陽子の質量のわずか 1000 分の 1 であることが実験で示されています。残りの質量は、3 つのクォークを接着することに関与するエネルギーに由来します。これは、グルーオンと呼ばれる粒子によって伝達される強い力として知られる粘着性です。 「『クォーク』と呼ばれるものには、クォークと反クォークのペア、接着剤、その他すべてが組み込まれている可能性があります」と、メリーランド大学の物理学教授である Thomas Cohen は説明しています。
ハドロンの正確な構造は、量子色力学 (QCD) と呼ばれる強力な力に関する 40 年前の理論のひだの中に隠されています。QCD は簡単に書き留めることができますが、無限に自己参照的であり、したがって解けない一連の方程式です。なぜ QCD の無限の複雑性がクォーク モデルと同等に見えるのか、言い換えれば、陽子として知られるクォークとグルオンの動的な合流点が「何らかの形で 3 つの粒子の単純な合成物であるかのように振る舞う」理由を誰も理解していません。これまで、すべてのハドロンはそのような単純さを装っていました。著名な理論家エドワード ウィッテンとシドニー コールマンが 1970 年代に誤って主張したテトラクォークは、QCD の簡略化された類似物とは矛盾していましたが、クォーク モデルによっても捉えられていない理論の最初の現れであることが判明しました.
「テトラクォークが実験的に発見され、予測されなかったという恥ずかしい事実は、私たちが思っていたほど QCD を理解していないことを示しています」と Braaten は言いました。
現在、クォーク モデルを完全に放棄するのではなく、分子モデルとジクォーク モデルの支持者は、新しい発見を包含するように拡張することを望んでいます.
元のモデルの精神で、提案された 2 つの拡張は、テトラクォークがプランプ クォークのフォーサムであると仮定します。しかし、それらは、これらのコンポーネントがどのように配置されるかについて、反対のビジョンを示しています。 QCD とクォーク モデルの両方によれば、クォークには「色」と呼ばれる性質があり、色に中立な集団状態に入る必要があります。 3 つのクォークの色は、たとえば赤、緑、青の原色を組み合わせると白になるのと同じように、陽子の内部で互いに打ち消し合います。また、青や黄色などの補色と同様に、クォークは反クォークとペアになって無色の中間子を形成します。しかし、どのようにして 4 つのクォークがテトラクォーク内でカラー ニュートラルを達成するのでしょうか?
分子図では、2 つのクォークのそれぞれが 2 つの反クォークの 1 つとペアになり、離れて飛ぶ前にメソン分子として瞬間的にランデブーする 2 つの色中性メソンを形成します。しかし、ダイクォーク モデルでは、反クォークと同様に、クォークは「ダイクォーク」ペアを形成します。両方のペアは正味の色を持っているため、パートナーを切り替えて分離する前に、コンパクトで色が中立な粒子として一瞬融合する必要があります.
分子モデルの重要な支持例は、2 つの別個の中間子の合計に非常に近い質量を持っています。これは、これらの中間子が、分解する前に、接着剤の最小の滴によって一時的に結合されるようになったことを意味します (それらの結合された分子質量は髪の毛によって変化します)。 2003 年に日本で発見されたテトラクォーク信号は、未知の正体と測定された質量から X(3872) と指定され、まさにこの質量の一致を示しました。それとその後のいくつかの例により、分子モデルは初期の注目を集めました。
「オッカムのカミソリのアプローチでは、最も単純なことを試してみてください」とカーライナーは言いました。 「それが機能するなら、それはそれです。」
しかし、最近の Z(4430) の発見により、カミソリは分子モデルに背を向けました。テトラクォークの質量と、「スピンパリティ」と呼ばれる特性など、細心の注意を払って測定されたその他の特性は、どの 2 つのメソンの特性とも一致しません。批判者にとって、これは分子のアイデアを台無しにします。そのホールドアウトについては、「それらに対する証拠の重要性はまだ浸透していません」と、アリゾナ州立大学のディクォークの支持者であるリチャード・レベッドは述べています。 「特定の写真に長い時間を費やした場合、それが正しくないことを証明するために、一定の抵抗があります。」
Lebed は、非常に多くのテトラクォーク候補が既知のメソンの組み合わせの質量とほぼ正確に一致していることに少し困惑していると感じていますが、他のジクォーク支持者は、これらの偶然の一致を避けられないと呼んでいます。中間子対のものに偶然近くなる、と彼らは言う。
そして最終的に、ほとんどの批評家は、分子モデルを飲み込むのが難しいと感じています。大型ハドロン衝突型加速器での陽子の光速に近い衝突の最中に、2 つの中間子からなる壊れやすい構造が、わずかな接着剤でどのように結合することができたのでしょうか? 「これは核爆発中のクリスタル ガラスのようなものです」とポロサは言いました。
Z(4430) の発見の余波で、ダイクォークの画像が前進している可能性がありますが、これも不完全なままです。最近、Polosa のような支持者は、特定のクォークの組み合わせが許可され、他のクォークの組み合わせが許可されているように見える理由を説明する新しい対称規則でモデルを完成させるために取り組んでおり、分子モデルによってはるかによく捉えられたパターンです。一方、Physical Review Letters に掲載されることになった新しい論文で、Lebed と同僚は、カラフルなダイクォークと反ジクォークのペアが最初に形成される理由と、それらがすぐに崩壊する理由を説明しようとしています。正しければ、これらのルールは、エキゾチックなクォークで満たされた星が存在するかどうかなど、ハドロン物理学に関する他の予測に影響を与えます。また、陽子や中性子などのよく知られたハドロンの理解も深まります。
しかし、うまくいくまでディクォークの絵を装飾することに誰もが満足しているわけではありません.
「これらのモデルには多くのノブがあります」と Cohen 氏は言います。 「物事がうまくいったとき、あなたは勝利を宣言し、物事がうまくいかなくなったとき、あなたはつまみを回し始めます。」 2 つのモデル間の論争は、「データを合理的に説明するための出発点として、どちらが適切か」を判断することであり、どちらかが正しいかどうかではないと彼は言いました。
Cohen や Braaten のような物理学者は、QCD の無限方程式をより適切に近似することによってのみ、テトラクォークの全スペクトルを予測できると考えています。これは、ビッグバンから数ミリ秒後の挙動など、クォークとグルオンの他の未知の特徴も解明する取り組みです。 Physical Review D の最近の論文で、Braaten と同僚は、テトラクォークの予測に役立つと思われる、スーパーコンピューターで動作可能な近似スキームを提案しました。
ただし、このようなアプローチの利点はわずかである可能性があります。 40 年間、研究者は、ナイーブ クォーク モデルよりもはるかにデータに適合する QCD の要約を作成できませんでした。多くの理論家は、QCD の泥沼に入るよりも、この単純で効果的な理解を拡張することを好みます。
したがって、問題は残ります:テトラクォークの将来の図では、クォークはクォークまたは反クォークと密接に関連して示されますか?
「すべてのデータが明らかになれば、他のものよりもはるかに成功している画像が存在するでしょう」と Lebed 氏は述べています。 「しかし、まだいくつかのしつこい謎が残っていたとしても、まったく驚かないでしょう。」
