4 年前、実験者がペンタクォーク (5 つのクォークでできたエキゾチックな短寿命の粒子) を発見したとき、一部の物理学者は、原子核を結合する強力な核力を垣間見たと考え、奇妙な新しいトリックに関与していると考えました。新たな観測により、ペンタクォークの動物園が拡大されましたが、それらの構造についてはより適切な説明が示唆されています。ラージ ハドロン コライダー ビューティー エクスペリメント (LHCb) からの発見は、スイスのジュネーブに近いヨーロッパの素粒子物理学研究所である CERN の LHC によって供給される粒子検出器であり、ペンタクォークは新しい方法で結合した 5 つのクォークの袋ではなく、従来の原子核に似ています。
この研究を率いたシラキュース大学（米国ニューヨーク州）の LHCb 物理学者である Tomasz Skwarnicki は、「新しいデータがこのような明確なメッセージを送っていることに本当に興奮しています」と述べています。しかし、彼は、「一部の人々が望んでいたメッセージではないかもしれない」と述べています.
ペンタクォークは陽子と中性子のより重いいとこであり、これもクォークでできています。通常の物質では、クォークにはアップとダウンの 2 つのタイプがあります。アトム スマッシャーは、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの 4 つの重いタイプのクォークを爆発させて短い存在にすることができます。クォークは強い力で互いにくっつきあうので、孤立することはありません。代わりに、それらはほとんどの場合、陽子と中性子を含むバリオンとして知られる粒子、またはクォークと反物質クォークで構成される中間子と呼ばれるペアの 3 つのグループで見つかります。
しかし何十年もの間、一部の理論家はより大きなクォークの束が存在するという仮説を立ててきました。近年、実験者は 4 クォーク粒子、またはテトラクォークの証拠を発見しました。その後、2015 年に、LHCb は 2 つのペンタクォークの兆候を報告しました。
一部の理論家は、新しい粒子は 4 つまたは 5 つのクォークの袋であり、グルオンと呼ばれる量子粒子の交換によって結合され、強い力のしばしば扱いにくい理論に新しいしわを加えていると主張しています。原子核に似ていると主張する人もいます。この「分子」図では、ペンタクォークは、陽子と中性子が核内で結合するのと同じ方法で、短寿命のパイ中間子を交換することによって、2 つのクォークの中間子にくっついた 3 つのクォークのバリオンです。
今日 Physical Review Letters で報告された LHCb の新しいペンタクォーク (PRL )、分子図を強化します。 2015 年、LHCb の研究者は、陽子の質量の 4.74 倍である 4450 メガ電子ボルト (MeV) の質量を持つペンタクォークを報告しました。 9 倍のデータを使用して、彼らはその質量範囲で、質量が 4440 MeV と 4457 MeV の 2 つのほぼ重なり合っているが別個のペンタクォークを発見しました。彼らはまた、4312 MeV でより軽いペンタクォークを発見しました。それぞれに同じセットのクォークが含まれています:チャーム、アンチチャーム、2 つのアップ、および 1 つのダウン。 (4380 MeV でのペンタクォークの以前のヒントは薄れました。)
荷物をまとめる
最も軽いペンタクォークの質量は、正しいクォーク成分を一緒に含む特定のバリオンとメソンの和のすぐ下にあります。より重いペンタクォークは、同じバリオンと余分な内部エネルギーを持つ関連する中間子の合計よりもわずかに小さい質量を持っています。これは、各ペンタクォークが中間子に結合した単なるバリオンであり、結合エネルギーにわずかな質量が取り込まれていることを示唆しています。 「これは簡単な説明です」と、イスラエルのテルアビブ大学の理論家である Marek Karliner は言います。
分子図はまた、ペンタクォークがつかの間ではあるが、予想よりも安定しているように見える理由を説明するのにも役立つ、と Karliner は言う。これは、チャーム クォークをバリオンにパッケージングし、反チャーム クォークをメソンにパッケージ化することで、それらを分離し、互いに消滅しないようにするためです。
3月にイタリアのラ・トゥイールで開催された会議でLHCbの研究者がその結果について議論したとき、他の理論家は同様の結論に急いだ.たとえば、北京の北京航航大学の理論家である Li-Sheng Geng とその同僚は、1 日以内に PRL に印刷中の論文を投稿しました。 、分子図を使用して、LHCb の到達範囲内にあるはずのさらに 4 つのペンタクォークの存在を予測します。
しかし、クォークの袋の絵は死んでいません。バージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の物理学者が試みているように、陽子がガンマ線光子で衝突されると、ペンタクォークが時々形成されるはずです。しかし、彼らはまだペンタクォークを発見していません。ハンブルクにあるドイツの加速器研究所である DESY の理論家 Ahmed Ali は、これはクォークの袋のモデルよりも高い速度でそのような光生成を予測するため、分子の全体像を損なうものであると述べています。 「彼らはすでに分子の解釈をほとんど排除しています」と彼は言います。そのような結論を出すのは時期尚早だと言う人もいます.
北京の中国科学院の理論家である Feng-Kun Guo は、ペンタクォークの構造は必ずしも二者択一の命題ではない、と述べています。量子力学により、小さな物体が粒子と波の両方になること、または一度に 2 つの場所に存在することが可能になります。同様に、ペンタクォークは両方の構造を同時に持つことができます。 「それは、どちらが優勢かという問題です」と Guo は言います。
結合メカニズムに関係なく、新しいペンタクォークは、そのような粒子のまったく新しいファミリーの存在を示唆しているため、エキサイティングです、とカーライナーは言います. 「まったく新しい周期表のようなものです。」
*訂正、6 月 6 日午後 4 時: 新しいデータは 4380 メガ電子ボルトの質量を持つペンタクォークの根拠を弱めているが、それを除外するものではないことを反映するようにストーリーが更新されました.
