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チャームクォーク（またはcクォーク）は、粒子加速器の衝突で生成されるJ/ψ中間子やチャームバリオンなどのハドロンと呼ばれる複合素粒子に含まれる素粒子です。Wボソン、Zボソン、ヒッグスボソンなど、いくつかのボソンはチャームクォークに崩壊することができます。すべてのチャームクォークは、量子数であるチャームを持っています。この第2世代粒子は、質量が3番目に大きいクォークです。2022年に測定された値は1.27 ± 0.02 GeV/ c 2で 、電荷は + 2 / 3 eです。
チャームクォークの存在は、 1964 年にジェームズ・ビョルケンとシェルドン・グラショウによって初めて予測され、[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 1970 年にグラショウ、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアーニによって、その存在が実験と理論の不一致をどのように説明できるかが示されました。[ 4 ] 1974 年に、ブルックヘブン国立研究所とスタンフォード線形加速器センターでのJ/psi 中間子の独立した発見によって、その存在が確認されました。その後数年間で、D 中間子やチャーム ストレンジ 中間子など、他のいくつかのチャーム粒子が発見されました。
21世紀に入り、 2つのチャームクォークを含むバリオンが発見された。陽子に固有のチャームクォークが存在するという最近の証拠があり、チャームクォークとヒッグス粒子の結合が研究されている。また、チャームクォークを含むD0中間子の崩壊においてCP対称性の破れが見られるという最近の証拠もある。
シェルドン・グラショーによれば、チャームクォークはその名前を「素粒子の世界にもたらした対称性」に由来する。[ 5 ] [ 6 ]グラショーはまた、チャームクォークを加えることで、当時の3クォーク理論における望ましくない、目に見えない崩壊を阻止できるため、「悪を回避する魔法の装置」としてその名前を正当化した。[ 5 ]チャームクォークは、学術的文脈でも非学術的文脈でも「チャームドクォーク」とも呼ばれる。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]チャームクォークの記号は 「c」である。[ 10 ]
1961年、マレー・ゲルマンはバリオンとメソンをグループ化するパターンとして八重の道を導入した。[ 11 ] 1964年、ゲルマンとジョージ・ツヴァイクは、すべてのハドロンはゲルマンが「クォーク」と呼んだ基本構成要素から成り立っていることを独立に提案した。[ 12 ]当初は、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークのみが提案された。[ 13 ]これらのクォークは八重の道のすべての粒子を生成する。[ 14 ]ゲルマンと西島和彦は、1953年にΣやΛなどのストレンジ粒子が関与するプロセスを記述するために、量子数であるストレンジネスを確立した。[ 15 ]
1964年、ジェームズ・ビョルケンとシェルドン・グラショウは「チャーム」を新しい量子数として理論化した。[ 16 ]当時、レプトンは電子、ミューオン、そしてそれぞれのニュートリノの4種類が知られていたが、ゲルマンは当初、クォークは3種類しか提案していなかった。[ 6 ]ビョルケンとグラショウは、自分たちの理論でレプトンとクォークの間に類似点を見出そうとした。[ 17 ]グラショウによれば、この推測は「美的議論」から生まれたものだという。[ 5 ]
1970年、グラショウ、ジョン・イリオポロス、ルチアーノ・マイアーニは、当時知られていた3つのクォークとはチャーム量子数だけ異なる新しいクォークを提案した。[ 4 ] [ 18 ]彼らはさらに「チャーム粒子」の存在を予測し、実験的にそれらを生成する方法について提案した。[ 19 ]また、チャームクォークは、弱い力と電磁力の統一を促進するメカニズム（GIMメカニズム）を提供する可能性があるとも示唆した。[ 20 ]
1974年4月に開催された実験的中間子分光法会議（EMS）において、グラショウは「チャーム：発見を待つ発明」と題する論文を発表した。グラショウは、中性カレントが存在する可能性が高いことから、特定のカオンの崩壊が稀であることを説明するには、第4のクォークが「切実に必要」であると主張した。[ 21 ]また、チャームクォークの特性についてもいくつかの予測を行った。[ 22 ]彼は、1976年の次のEMS会議までに、次の発見があると賭けた。
可能性は3つしかない。
1974年7月、第17回国際高エネルギー物理学会議（ICHEP）において、イリオポウロスは次のように述べた。
私は中性電流に賭けてすでに数本のワインを勝ち取っており、今回の会議の弱い相互作用セッションが中性電流の発見によって支配されたならば、次の会議全体がチャーム粒子の発見によって支配されるだろうと、今ならケース1つを賭ける用意がある。[ 24 ]
K 0 L状態とK 0 S状態の間のカオン質量分裂に自然性の議論を適用すると、チャームクォークの質量は1974年にメアリー・K・ガイラードとベンジャミン・W・リーによって以下と推定された。5 GeV/ c 2。[ 25 ] [ 26 ]
グラショウは、陽子のダウンクォークがW +を吸収できると予測した。そしてチャームクォークになる。その後、陽子はラムダバリオンを含むいくつかの粒子に崩壊する前にチャームバリオンに変化する。1974 年 5 月下旬、ロバート・パーマーとニコラス・P・サミオスは、ブルックヘブン国立研究所のバブルチャンバーでラムダバリオンを生成する事象を発見した。[ 27 ]パーマーがラムダバリオンがチャーム粒子から来たことを確信するまでには数ヶ月かかった。[ 28 ] 1974 年 10 月にバブルチャンバーの磁石が故障したとき、彼らは同じ事象に遭遇しなかった。[ 21 ] 2 人の科学者は 1975 年初頭に観測結果を発表した。[ 29 ] [ 30 ]マイケル・リオルダンはこの事象は「曖昧」で「励みにはなるが説得力のある証拠ではない」とコメントした。[ 31 ]
1974年、サミュエル・CC・ティングはブルックヘブン国立研究所（BNL）でチャーム粒子を探していた。[ 32 ]彼のチームは電子対検出器を使用していた。[ 33 ] 8月末までに、彼らはピークを発見した。3.1 GeV/ c 2であり、信号の幅はそれ以下であった。5 MeV。[ 34 ]チームは最終的に、質量のある粒子を観測したと確信し、それを「J」と名付けた。ティングは1974年10月に発見を発表することを検討したが、μ/π比に関する懸念から発表を延期した。[ 35 ]
スタンフォード線形加速器センター（SLAC）で、バートン・リヒターのチームは1974年11月9日～10日に実験を行った。彼らはまた、相互作用の確率が高いことを発見した。3.1 GeV/ c 2。彼らはその粒子を「プサイ」と呼んだ。[ 36 ] 1974年11月11日、リヒターはSLACでティングと会い、[ 37 ]彼らはその発見を発表した。[ 38 ]
理論家たちはすぐにこの新粒子の分析を始めた。[ 39 ]この粒子は10⁻²⁰秒程度の寿命を持つことが示され、特別な特性を示唆していた。 [ 36 ] [ 40 ]トーマス・アッペルクイストとデイビッド・ポリッツァーは、この粒子はスピンが平行に並んだチャームクォークとチャーム反クォークから構成されていると示唆した。二人はこの構成を「チャーモニウム」と呼んだ。[ 39 ]チャーモニウムには2つの形態がある。2つのクォークのスピンが平行な「オルトチャーモニウム」と、スピンが反対方向に並んだ「パラチャーモニウム」である。[ 41 ]マレー・ゲルマンもチャーモニウムの考えを信じていた。[ 42 ]リチャード・ファインマンなどの他の理論家は、当初、この新粒子はアップクォークとチャーム反クォークから構成されていると考えていた。[ 39 ]
1974年11月15日、ティングとリヒターは彼らの発見に関するプレスリリースを発表した。[ 43 ] 11月21日、SLACでSPEARはJ/ψ粒子の共鳴を発見した。3.7 GeV/ c 2は、マーティン・ブライデンバッハとテレンス・ゴールドマンが予測した通りである。[ 43 ]この粒子は ψ′ ("psi-prime") と呼ばれた。[ 44 ] 11月下旬、アペルクイストとポリッツァーは、チャームクォークを理論化した論文を発表した。グラショウとアルバロ・デ・ルジュラも、「束縛チャームは発見されたか？」という論文を発表し、その中でチャームクォークと漸近的自由度を用いてJ/psi 中間子の性質を説明した。[ 45 ]
最終的に、1974 年 12 月 2 日にPhysical Review Letters (PRL) は、Ting [ 46 ]と Richter [ 47 ]による J と psi の発見論文を掲載した。[ 45 ] psi プライムの発見は翌週に発表された。[ 45 ]その後、1975 年 1 月 6 日にPRL はJ/psi 粒子に関する 9 つの理論論文を掲載した。Michael Riordan によると、そのうち 5 つは「チャーム仮説とその変種を推進した」という。[ 30 ] 1976 年、Ting と Richter は「新しい種類の重い素粒子」の発見によりノーベル物理学賞を共同受賞した。 [ 48 ]
1976 年 8 月、ニューヨーク タイムズ紙で、グラショウは賭けを振り返り、「ジョン [イリオポウロス] のワインと私の帽子は間一髪で助かった」とコメントした。[ 5 ]次の EMS 会議では、分光学者たちは主催者から提供されたメキシコのキャンディの帽子を食べた。[ 49 ] [ 50 ]フランク クローズは同年、ネイチャー誌に「イリオポウロスは賭けに勝った」というタイトルの記事を書き、第 18 回 ICHEP は「まさにその発見によって支配された」と述べた。[ 20 ]誰もイリオポウロスに賭け金を支払わなかった。[ 51 ] [ 38 ]
1975 年 4 月、パーマーとサミオスを含む EG カッツォーリらは、チャームバリオンに関する以前の曖昧な証拠を発表した。[ 29 ] 1975 年 8 月のレプトン・フォトンシンポジウムの時点で、8 つの新しい重粒子が発見されていた。[ 52 ]しかし、これらの粒子は合計チャームがゼロである。[ 53 ]その年の第 4 四半期から、物理学者たちは正味の、つまり「裸の」チャームを持つ粒子を探し始めた。[ 54 ]
1976年5月3日、SLACでガーソン・ゴールドハーバーとフランソワ・ピエールは1.87 GeV/ c 2ピークは、グラショウの予測に従って中性チャームD 中間子の存在を示唆していた。5 月 5 日、ゴールドハーバーとピエールは「裸のチャーム」の発見に関する共同覚書を発表した。 [ 55 ]第 18 回国際高エネルギー物理学会議の頃には、さらに多くのチャーム粒子が発見されていた。リオルダンは、会議で「セッションごとにチャームの確固たる証拠が浮上した」と述べ、チャーム クォークの存在を確認した。[ 56 ] [ 57 ]チャーム ストレンジ 中間子は 1977 年に発見された。[ 58 ] [ 59 ]
2002年、フェルミラボのSELEXコラボレーションは、二重チャームバリオンΞ + cc（「二重チャーム xi+」）の最初の観測結果を発表した。[ 60 ]これは2つのチャームクォークを含む3クォーク粒子である。チームは、アップクォークを持つ二重チャームバリオンは、ダウンクォークを持つものよりも質量が大きく、生成率が高いことを発見した。[ 61 ]
2007年、BaBar実験とBelle実験はそれぞれ、2つの中性チャーム中間子D0の混合の証拠を報告した。およびD 0[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]証拠は、混合率が標準模型で予測されているように小さいことを確認した。[ 65 ]どちらの研究も、 2 つのチャーム粒子の崩壊間のCP 違反の証拠を見つけなかった。[ 62 ] [ 63 ]
2022年、NNPDFコラボレーションは陽子に固有のチャームクォークが存在する証拠を発見した。[ 66 ] [ 67 ]同年、物理学者たちは大型ハドロン衝突型加速器のATLAS検出器を用いて、ヒッグス粒子がチャームクォークに崩壊する直接探索も行った。[ 68 ]彼らはヒッグス-チャーム結合がヒッグス-ボトム結合よりも弱いことを突き止めた。[ 69 ] 2022年7月7日、LHCb実験はD0中間子がパイ中間子に崩壊する際に直接CP対称性の破れの証拠を発見したと発表した。[ 70 ]
チャームクォークは第2世代のアップ型クォークである。[ 7 ] [ 64 ]チャームは量子数である。[ 71 ] 2022年のParticle Physics Reviewによると、チャームクォークの質量は1.27 ± 0.02 GeV/ c² 、[ b ]電荷は + 2/3 e、チャームは +1 である。[ 10 ]チャームクォークはストレンジクォークよりも質量が大きく、両者の質量の比は約 11.76 +0.05 −0.10 . [ 10 ]
CKM行列はクォークの弱い相互作用を表します。[ 73 ] 2022年現在、チャームクォークに関連するCKM行列の値は次のとおりです。[ 74 ]
チャームクォークは、1つまたは複数のチャームクォークを含む「開いたチャーム粒子」として、あるいはチャームクォークとチャーム反クォークの束縛状態であるチャームモニウム状態として存在することができる。[ 64 ] D ±を含むいくつかのチャーム中間子が存在する。およびD 0[ 75 ]チャームされたバリオンにはΛが含まれるc、Σc、Ξc、Ωc は、さまざまな電荷と共鳴を。 [ 76 ]
チャームクォークを含む粒子は、電子-陽電子衝突またはハドロン衝突によって生成される。[ 77 ]異なるエネルギーを用いることで、電子-陽電子衝突型加速器はψ中間子またはψ中間子を生成できる。[ 78 ]ハドロン衝突型加速器は、より高い断面積でチャームクォークを含む粒子を生成する。[ c ] [ 81 ] Wボソンは、チャームクォークまたはチャーム反クォークを含むハドロンに崩壊することもある。[ 82 ] Zボソンは、チャームクォークの断片化によってチャームコニウムに崩壊することがある。[ 83 ]ヒッグスボソンは、J/ ψまたはηに崩壊することもある。c も同じメカニズムで起こります。ヒッグス粒子がチャームクォークに崩壊する速度は「チャームクォークの湯川結合」のです。 [ 84 ]
チャームクォークは弱い崩壊によって他のクォークに崩壊することができる。[ 64 ]また、チャームクォークは基底状態のチャームモニウム中間子の崩壊中にチャーム反クォークと対消滅する。[ 64 ]
