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素粒子物理学において、グルーボール（グルーオニウム、グルーオンボールとも呼ばれる）は、仮想の複合粒子である。[1]グルーボールは、価クォークを含まず、グルーオン粒子のみで構成される。このような状態は、グルーオンが色荷を持ち、グルーオン同士が強い相互作用をするため可能となる。グルーボールは、通常の中間子状態と混ざるため、粒子加速器内での識別が非常に難しい。[2] [3]純粋ゲージ理論では、グルーボールはスペクトルの唯一の状態であり、そのいくつかは安定している。[4]
理論計算によれば、グルーボールは現在の衝突型加速器技術で到達可能なエネルギー範囲に存在するはずである。しかし、前述の困難さ（とりわけ）のため、グルーボールはこれまで確実に観測され特定されておらず、[5]現象論的計算によれば、実験的に特定されたグルーボール候補（ ）は、標準モデルのグルーボールに予想される特性と一致することが示唆されている。[6]
グルーボールが存在するという予測は、素粒子物理学の標準モデルの最も重要な予測の1つですが、実験的にはまだ確認されていません。[7] [検証失敗]グルーボールは、標準モデルによって予測される、基底状態で全角運動量 ( J ) (「固有スピン」と呼ばれることもある) が2または3になる唯一の粒子です。
2021年、 LHCのTOTEM共同研究とフェルミ国立加速器研究所の旧テバトロン衝突型加速器のDØ共同研究により、奇数Cパリティを持つ複合グルーオン粒子であるオデロン交換の実験的証拠が発表された。クォークのない3グルーオンベクトルグルーボールに関連するこの交換は、陽子-陽子散乱と陽子-反陽子散乱の比較で特定された。[8] [9] [10] 2024年、X(2370)粒子はグルーボールと一致する質量とスピンパリティを持つと判定された。[11]しかし、テトラクォークなどの他のエキゾチック粒子候補を排除することはできなかった。[12]
プロパティ
原理的には、グルーボールのすべての特性は、量子色力学(QCD)の方程式と基本的な物理定数から、実験的な入力なしで正確に計算して直接導くことが理論的に可能です。したがって、これらの仮想粒子の予測特性は、理論物理学の文献で広く受け入れられている標準モデル物理学のみを使用して、非常に詳細に記述できます。ただし、関連する主要な物理定数の一部の測定にはかなりの不確実性があり、QCD 計算は非常に難しいため、これらの方程式の解はほとんどの場合、数値近似値 (いくつかの非常に異なる方法を使用して計算) になります。これにより、グルーボールの崩壊における質量や分岐比などのグルーボール特性の理論的予測にばらつきが生じる可能性があります。
構成粒子と色電荷
グルーボールの理論的研究は、それぞれ 2 個と 3 個のクォークを持つ中間子と重粒子に倣って、2 個のグルーオンまたは 3 個のグルーオンで構成されるグルーボールに焦点が当てられてきました。中間子と重粒子の場合と同様に、グルーボールはQCD の色電荷が中性です。グルーボールの重粒子数は 0 です。
総角運動量
二重グルーオン グルーボールは、全角運動量 J = 0 (スカラーまたは擬似スカラー) またはJ = 2 (テンソル) を持つことができます。三重グルーオン グルーボールは、全角運動量J = 1 (ベクトル ボソン) または 3 ( 3 次テンソルボソン) を持つことができます。すべてのグルーボールは整数の全角運動量を持ち、フェルミオンではなくボソンであることを意味します。
グルーボールは、標準モデルによって予測される唯一の粒子であり、基底状態では全角運動量 ( J ) ( 「固有スピン」と呼ばれることもある) が 2 または 3 になる可能性があるが、同様の質量を持つJ = 0とJ = 1の 2 つのクォークからなる中間子が観測されており、他の中間子の励起状態もこれらの全角運動量の値を持つ可能性がある。
電荷
グルーオン自体には電荷がないため、グルーボールの 電荷はすべてゼロになります。
質量とパリティ
グルーボールは、標準モデルではグルーオン自体の静止質量がゼロであるという事実にもかかわらず、量子色力学によって質量があると予測されています。あらゆる可能な全角運動量に対して量子数P（空間パリティ）とC（電荷パリティ）の4つの可能な組み合わせすべてを持つグルーボールが検討されており、少なくとも15のグルーボール状態が生成されます。これには同じ量子数を共有しながらも質量が異なる励起グルーボール状態も含まれ、最も軽い状態では質量が1.4 GeV/ c 2（量子数J = 0、P = +1、C = +1、または同等のJ PC = 0 ++を持つグルーボールの場合）、そして最も重い状態の質量はほぼ5 GeV/ c 2（量子数J = 0、P = +1、C = −1、またはJ PC = 0 +−のグルーボールの場合）。[5]
これらの質量は、実験的に観測された多くの中間子や重粒子の質量、ならびにタウレプトン、チャームクォーク、ボトムクォーク、一部の水素同位体、一部のヘリウム同位体の質量と同じ桁の大きさです。
安定性と減衰チャネル
標準モデルの陽子以外のすべての中間子と重粒子が単独では不安定であるのと同様に、標準モデルではすべてのグルーボールが単独では不安定であると予測されており、さまざまなQCD計算により、さまざまなグルーボール状態の合計崩壊幅（機能的には半減期に関連している）が予測されています。QCD計算では、グルーボールの予想される崩壊パターンについても予測しています。[13] [14]たとえば、グルーボールは放射崩壊や2光子崩壊を起こさず、パイ中間子のペア、カオンのペア、またはエータ中間子のペアに崩壊します。[13]
マクロ低エネルギー物理学への実践的影響
π
このような崩壊はグルーボールの研究や探索に役立つ。[15]
標準モデルのグルーボールは極めて短命（ほぼ即座に崩壊してより安定した崩壊生成物になる）であり、高エネルギー物理学でのみ生成されます。したがって、人間が容易に観察できる地球上の自然条件では、グルーボールは人工的にのみ生成されます。グルーボールが科学的に注目されるのは、主に標準モデルの検証可能な予測であるためであり、マクロプロセスへの現象論的影響や工学的応用のためではありません。
格子QCDシミュレーション
格子QCDは、グルーボールスペクトルを理論的かつ第一原理から研究する方法を提供します。格子QCD法を使用して計算された最初の量のいくつかは（1980年）、グルーボールの質量推定でした。[16]モーニングスターとピアドン[17]は1999年に、動的クォークのないQCDで最も軽いグルーボールの質量を計算しました。最も低い3つの状態を以下に表に示します。動的クォークの存在により、これらのデータはわずかに変化しますが、計算はより困難になります。それ以来、QCD（格子則と和則）内の計算では、最も軽いグルーボールは質量が約100万分の1の範囲のスカラーであることがわかっています。1000–1700 MeV/ c 2。[5]スカラーおよび擬スカラーグルーボールの格子予測は、その励起も含めて、ヤン・ミルズ理論におけるダイソン・シュウィンガー/ベーテ・サルペーター方程式によって確認された。[18]
実験候補
粒子加速器実験では、不安定な複合粒子を識別し、それらの粒子に約100万分の1の精度で質量を割り当てることができることが多い。10 MeV/ c 2 を超える粒子は、観測された共鳴粒子にその粒子のすべての特性を直ちに割り当てることはできません。このような粒子は多数検出されていますが、一部の実験で検出された粒子は疑わしいと見なすことができます。
これらの候補の多くは、少なくとも18年間にわたって活発な調査が行われてきました。[13] GlueX実験は、グルーボールのより決定的な実験的証拠を生み出すために特別に設計されました。[19]
グルーボールの可能性がある候補粒子共鳴には、決定的な証拠はないものの、次のようなものがあります。
ベクトル、擬似ベクトル、またはテンソルグルーボール候補
- BaBar共同研究によって観測されたX(3020)は、質量が約1.5gのJ PC = 2 −+、1 +−、または1 −−グルーボール状態の励起状態の候補である。 3.02 GeV/ c 2 . [7]
スカラーグルーボール候補
- f 0 (500) σとしても知られるこの粒子の特性は、質量のグルーボールと一致する可能性がある。1000 MeV/ c 2または1500 MeV/ c 2 . [5]
- f 0 (980) – この複合粒子の構造は、軽いグルーボールの存在と一致しています。[5]
- f 0 (1370) – この共鳴の存在は議論の余地があるが、グルーボールと中間子の混合状態の候補である[5]
- f 0 (1500) – この共鳴の存在は議論の余地がないが、グルーボールと中間子の混合状態なのか純粋なグルーボールなのかは十分に確立されていない。[5]
- f 0 (1710) – この共鳴の存在は議論の余地がないが、グルーボールと中間子の混合状態なのか純粋なグルーボールなのかは十分に確立されていない。[5]
その他の候補者
- LEP実験におけるグルーオンジェットは、電磁的に中性なクラスターの理論的予測を40%上回っており、グルーボールのようなグルーオンが豊富な環境で予想される電磁的に中性な粒子が存在する可能性が高いことを示唆している。[5]
参照
参考文献
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