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>ホーム >ニュース >News@KEK >この記事 |  |
last update:06/03/16 |
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 光と光の衝突で新粒子 2006.3.16 |
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〜 約30年間見つかっていなかったチャーモニウムを発見 〜 |
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光と光がぶつかっても何も起こりませんが、光のエネルギーをずっと高くして光の粒子（光子）同士をぶつけると物質が創成されることは以前ご紹介しました（2003.5.22、2005.11.10)。今回、高エネルギー加速器研究機構にあるKEKB加速器を用いたBelle実験で、10億電子ボルト以上の高いエネルギーの２つの光子の衝突から新しい粒子が発見されたことについてご紹介しましょう。 魅惑のクォークのペア 現代の物理学では物質を構成する基本粒子の一つ、クォークには6種類があると考えられています。そのうち３番目に重いチャームクォークは1974年にブルックヘブン研究所（BNL）とスタンフォード線型加速器研究所（SLAC）の二つの実験でほぼ同時に見つけられました。この時発見された新粒子はジェイ・プサイ（Ｊ/ψ）粒子と名付けられ、チャームクォークと反チャームクォークが強い力（量子色力学）でお互いを引きつけあっていると考えられています。このようにチャームクォークと反チャームクォークがペアになっている粒子のことをチャーモニウムと呼びます。 太陽の光をプリズムで七色の光に分けて詳しく調べると、ところどころに暗い線がみられることはご存知でしょうか。この線は1813年ごろにこれを詳しく調べたドイツのガラス職人の名をとって「フラウンホーファー線」と呼ばれています。太陽の光の中になぜこのような暗い線が見えるかの謎の解明は20世紀になって量子力学が発展したことによって明らかになりました。太陽の大気の中に含まれる様々な原子で、原子核の周りを回っている電子の軌道がある限られたエネルギーの値しか持つことができないため、ちょうどそのエネルギーを持つ波長（色）の光だけを効率よく吸収することがわかったのです。 電子の軌道のエネルギーの値は量子電磁力学で精密に計算することができますが、チャームクォークと反チャームクォークが量子色力学で結びつけられているチャーモニウムでも同じように飛び飛びのエネルギー（質量）の値を持つことが予想され、Ｊ/ψ粒子の仲間のチャーモニウムが当時の実験で約10種類発見されています（図１）。 光と光の反応 1970年代半ばに精力的に探索されたチャーモニウムもその後は実験による探索が下火になりました。当時の加速器で可能だった電子と陽電子の衝突などによる実験では、探索の精度に限界があったためです。 光子と光子をぶつける実験では、作られる中間子の性質に限りがあり、また、他の反応ではできづらい粒子ができることから、精度よく新粒子を見つけられるのではないかとの予想はありましたが、これまで光子光子衝突で新しい種類のチャーモニウムが見つらけた例はありませんでした。 以前の記事でもご紹介したように、電子と陽電子を衝突させる実験では、ときどき電子と陽電子から光子が放出され、その光子同士が衝突する場合があります。しかし、チャーモニウムをつくることができるほどの高いエネルギーの光子が放射される確率はかなり低いので、このような手段で新しい粒子の発見するには、世界最高のルミノシティ（衝突頻度の「明るさ」）記録を持つKEKB加速器によって初めて可能となりました。Belle実験で蓄積された光子と光子の衝突反応のデータ量は、過去の実験の10倍以上になります。 新粒子Z(3930) 今回の新粒子は、暫定的に「Z(3930)」と名付けられました（図２）このデータの中から新粒子が見つかりました。今回、見つかった新しい粒子は、新しい種類の「チャーモニウム」だと考えられています。味気ない名前ですが、この3930はその質量に対応するエネルギーがおよそ3930MeVであることを表しています。そして、やはりBelle実験で非常に近い質量のところにすでに見つけられている X(3940)、Y(3940)と区別するために、"Z"の文字が採用されました。Z(3930)は、つくられたすぐ後にD中間子と反D中間子のペアに壊れたところを見つけられたのですが（図３）、X(3940)とY(3940)が、D中間子と反D中間子のペアに壊れる確率は小さいようなので（今のところ見つかっていません）、Z(3930)は、X(3940)やY(3940)とは別の種類の粒子であると考えられています。 十数種類あるチャーモニウムの性質を詳しく調べて互いに比較すると、量子色力学（QCD)についての研究を進展させることができます。これまでの研究によって、まだ見つかっていないチャーモニウムの存在だけでなく、質量やその他の性質の予想もできるようにもなっています。チャームクォークやその他のクォークが、複数の種類の中間子を構成し、特徴的なパターンをつくることはかつてのNews@KEK（2005.3.3、2003.9.11)でご紹介しました。 Z(3930)が壊れて出てきたD中間子の角度の分布の測定結果などによって、この粒子はすでに見つかっているチャーモニウムχc2（カイc2）中間子が動径方向に励起した状態（すでにでχ'c2（カイc2プライム）中間子という名前が与えられている）であると見られています。図４の表に見るように、J/ψ中間子とηc中間子には、そのそれぞれに"'"（プライム）がついた励起状態がすでに見つかっていますが、χ'c2中間子は、その基底状態であるχc2中間子が見つかって以来、およそ30年間、存在が予想されていたにもかかわらず、今日まで見いだされていなかったものです。その質量（図５）は理論から予想されていた値とおおむね合っていました。 それまで予想もされていなかったような粒子を発見して、その正体を見極めることも重要ですが、長年、その存在が予想されていた粒子の存在を確認してその性質を測定し、既存の理論の予想が正しかったどうかを確かめることも、自然現象の理解の基盤を固める上で重要です。KEKB/Belle実験での高いルミノシティを生かした研究によって、強い力やハドロン（中間子や重粒子など）についての研究が今後もますます進展することが期待できます。
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