ペンタクォーク

ペンタクォークは、4 つのクォークと 1 つの反クォークが結合して構成される、人工の素粒子です。ペンタクォークは自然界で発生することは知られておらず、また、ペンタクォークを生成するために特別に行われた実験以外では存在しません。

クォークの重粒子数は⁠++1/3⁠、および⁠−の反クォーク+1/3⁠、ペンタクォークの総バリオン数は 1 となり、バリオンとなる。さらに、通常のバリオンに見られる通常の 3 つのクォーク (別名「トリクォーク」)ではなく 5 つのクォークを持つため、エキゾチックバリオンに分類される。ペンタクォークという名前は、1987 年に Claude Gignouxら(1987) ^[1]とHarry J. Lipkinによって造られたものである。^{[2]しかし、5 クォーク粒子の可能性は、} Murray Gell-Mann が初めてクォークの存在を仮定した1964 年にはすでに特定されていた。^[3]数十年にわたって予測されていたにもかかわらず、ペンタクォークの発見は驚くほど困難であることが判明し、一部の物理学者は、未知の自然法則がその生成を妨げているのではないかと疑い始めていた。^[4]

ペンタクォークの発見の最初の主張は、 2003年に日本のLEPSで記録され、2000年代半ばのいくつかの実験でも他のペンタクォーク状態の発見が報告されました。^[5]しかし、他の研究者はLEPSの結果を再現することができず、他のペンタクォークの発見は、データと統計分析が不十分だったため受け入れられませんでした。^[6] 2015年7月13日、CERNのLHCbコラボレーションは、ボトムラムダバリオン（Λ⁰
_ビット）。^[7] 2019年3月26日、LHCbコラボレーションは、これまで観測されていなかった新しいペンタクォークの発見を発表しました。^[8] 2022年7月5日、LHCbコラボレーションは、P^Λ
_ψs（4338）^{0 [a]}ペンタクォーク。^[9]

素粒子研究室の外では、ペンタクォークは中性子星の形成につながる過程で自然に生成される可能性がある。^[10]

クォークは、質量、電荷、色荷を持つ素粒子の一種で、さらにフレーバーと呼ばれる特性も持ちます。フレーバーは、クォークの種類 (アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、トップ、ボトム) を表します。色閉じ込めと呼ばれる効果により、クォークは単独では見えません。代わりに、色荷が打ち消されるようハドロンと呼ばれる複合粒子を形成します。1 つのクォークと 1 つの反クォークからなるハドロンは中間子と呼ばれ、3 つのクォークからなるハドロンは重粒子と呼ばれます。これらの「通常の」ハドロンは十分に文書化され、特徴付けられていますが、 2 つのクォークと 2 つの反クォークを持つテトラクォークや、4 つのクォークと 1 つの反クォークを持つペンタクォークなど、クォークが「エキゾチック」なハドロンを形成することを防ぐ理論はありません。 ^[4]

ペンタクォークにはさまざまな種類があり、クォークの組み合わせによって生成される粒子も異なります。特定のペンタクォークを構成するクォークを識別するために、物理学者はqqqq qという表記を使用します。ここで、 qとq はそれぞれ、6 種類のクォークと反クォークを指します。記号 u、d、s、c、b、および t は、それぞれアップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、およびトップクォークを表し、 u、d、s、c、b、tの記号は、それぞれの反クォークに対応します。たとえば、2 つのアップ クォーク、1 つのダウン クォーク、1 つのチャーム クォーク、および 1 つのチャーム反クォークで構成されるペンタクォークは、 uudc cと表記されます。

クォークは強い力によって結合しており、この力は粒子内の色電荷を打ち消すように作用する。中間子では、クォークは反対の色電荷を持つ反クォークと組んでいる（例えば青と反青）が、重粒子では、3つのクォークは赤、青、緑の3つの色電荷すべてを互いに持っている。^[b]ペンタクォークでは、色も打ち消す必要があり、唯一実現可能な組み合わせは、1つの色（例えば赤）のクォーク1つ、2つ目の色（例えば緑）のクォーク1つ、3つ目の色（例えば青）のクォーク2つ、そして余剰の色を打ち消す反クォーク1つ（例えば反青）である。^[11]

ペンタクォークの結合メカニズムはまだ明らかではない。ペンタクォークは5つのクォークが強く結合して構成されている可能性があるが、より緩く結合しており、3つのクォークからなる重粒子と2つのクォークからなる中間子が、パイオン交換（原子核を結合するのと同じ力）を介して比較的弱く相互作用して「中間子-重粒子分子」を形成している可能性もある。^{[3] [12] [13]}

反クォークを含める必要があるため、多くの種類のペンタクォークは実験的に特定するのが難しい。反クォークのフレーバーが五重項の他のクォークのフレーバーと一致すると、反クォークは打ち消し合い、粒子は3クォークのハドロンに似たものになる。このため、初期のペンタクォーク探索では、反クォークが打ち消されない粒子を探した。^[11] 2000年代半ばには、いくつかの実験でペンタクォークの状態が明らかになったと主張された。特に、質量が1540  MeV/ c ² (4.6  σ )は2003年にLEPSによって報告されましたが、
Θ^+
[14]これは、質量が1997年に1530MeV/ c2^{と予測された。 [15]}

提案された状態は、2つのアップクォーク、2つのダウンクォーク、および1つのストレンジ反クォーク（uudd ）で構成されていました。この発表に続いて、他の9つの独立した実験で、
ん

け⁺
そして
p

け⁰
、質量は1522 MeV/ c ²および1555 MeV/ c ²、すべて4σ以上である。^[14]これらの状態の妥当性については懸念があったが、粒子データグループは
Θ⁺
2004年の粒子物理学レビューでは3つ星（4つ星中）の評価を受けた。^[14]他に2つのペンタクォーク状態が報告されているが、統計的有意性は低い。
Φ⁻⁻
（ddss u）、質量は1860 MeV/ c ²と
Θ⁰
_秒(uudd c )、質量は3099 MeV/ c ²。後に、どちらも真の共鳴ではなく統計的な効果であることが判明しました。^[14]

その後10回の実験で
Θ⁺
、しかし何も得られなかった。^[14]特に2つ（1つはBELLEで、もう1つはCLASで）は、他の実験とほぼ同じ条件で行われたが、
Θ⁺
（それぞれDIANAとSAPHIR）。^[14] 2006年の粒子物理学レビューは次のように結論づけている。^[14]

当初の実験では、
Θ⁺
ジェファーソン研究所による2つの高統計値実験では、この2つのケースにおける当初の肯定的な主張が間違っていることが明確に示されています。他の多くの高統計値実験では、いずれもこの主張の証拠は見つかりませんでした。
Θ⁺
;そして、他の2つの主張されているペンタクォーク状態を確認するためのすべての試みは否定的な結果をもたらしました。ペンタクォーク一般、そして
Θ⁺
特に、存在しないという主張は説得力があるように思われます。

2008年の粒子物理学レビューはさらに進んだ。^[6]

最近の実験では、公称質量付近の信号に関する弱い証拠が 2 つまたは 3 つ見つかりましたが、主張されているペンタクォークが存在しないという圧倒的な証拠を考慮すると、それらを一覧にすることはまったく意味がありません... 全体のストーリー、つまり発見そのもの、それに続く理論家や現象学者による論文の波、そして最終的な「未発見」は、科学の歴史における興味深いエピソードです。

これらの無結果にもかかわらず、LEPSの結果は、質量が1524 ± 4MeV  / c2 ^、統計的有意性は5.1σであった。 ^[16]

しかし、この「発見」は後に方法論に欠陥があったためであることが明らかになりました (https://www.osti.gov/biblio/21513283-critical-view-claimed-theta-sup-pentaquark)。

2015年7月、CERNのLHCb共同研究チームはΛ領域にペンタクォークを発見した。⁰
_ビット→J/ψK⁻
pチャネルは、底部のラムダ重粒子（Λ⁰
_ビット)をJ/ψ 中間子 (J/ψ)、カオン (K⁻
）と陽子（p）からなる。結果は、中間のラムダ状態を経て崩壊する代わりに、 Λ⁰
_ビットペンタクォークの中間状態を経て崩壊した。P⁺
_は（4380）とP⁺
_は（4450）は、それぞれ9σと12σの個別の統計的有意性を持ち、合計15σの有意性を持っており、正式な発見を主張するのに十分な値でした。分析により、この効果が従来の粒子によって引き起こされた可能性は排除されました。 ^{[3] 2つのペンタクォーク状態は両方とも}J / ψpに強く崩壊することが観測されたため、価クォーク含有量は2つのアップクォーク、ダウンクォーク、チャームクォーク、反チャームクォークである必要があります（
あなた

あなた

d

c

c
）となり、チャーモニウムペンタクォークとなる。^{[7] [10] [17]}

ペンタクォークの探索はLHCb実験（主に物質と反物質の非対称性を調査するために設計されている）の目的ではなかった^[18]ため、ペンタクォークの発見は実験の物理コーディネーターによって「偶然」であり「偶然に見つけたもの」と表現された。^[12]

Λの電弱崩壊によるペンタクォークの生成⁰
_ビット重粒子の断面積は極めて小さいため、ペンタクォークの内部構造に関する情報は非常に限られています。このため、他の経路でペンタクォークの生成を研究する取り組みがいくつか進行中または提案されています。

ペンタクォークは、 JLabのホールB E12-12-001A ^[19]およびホールC E2-16-007 ^[20]実験における電子-陽子衝突で研究されることが期待されています。これらの研究における主な課題は、JLabの運動学における光子-陽子スペクトルの末尾に生成されるペンタクォークの重い質量です。このため、現在不明のペンタクォークの分岐率は、JLabの運動学でペンタクォークを検出できるほど十分に大きいはずです。提案されているより高いエネルギーを持つ電子イオン衝突型加速器は、この問題に適しています。

陽子-原子核衝突におけるペンタクォークを研究するための興味深い経路が、シュミットとシディコフ（2016）によって提案された。^[21]このプロセスは、電弱中間体がないため断面積が大きく、ペンタクォークの波動関数へのアクセスを可能にする。固定ターゲット実験では、ペンタクォークは実験室フレーム内で小さなラピディティで生成され、簡単に検出される。さらに、フレーバー対称性に基づくいくつかのモデルで示唆されているように中性ペンタクォークが存在する場合、これらもこのメカニズムで生成される可能性がある。このプロセスは、After@LHC ^[22]やNICA ^{[23]などの将来の高輝度実験で研究される可能性がある。}

2019年3月26日、LHCb共同研究チームは、2015年のデータセットよりも何倍も大きなデータセットを使用して、5シグマの閾値を超えた観測に基づいて、新しいペンタクォークを発見したと発表しました。^[8]

P _c (4312) ⁺（P _c ⁺はチャーモニウムペンタクォークを識別し、括弧内の数字は約 4312 MeV の質量を示します）と呼ばれるペンタクォークは、陽子と J/ψ 中間子に崩壊します。分析により、以前に報告された P _c (4450) ^{+ペンタクォークの観測は、実際には P} _c (4440) ⁺と P _c (4457) ⁺と呼ばれる 2 つの異なる共鳴の平均であったことも明らかになりました。これを理解するには、さらなる研究が必要です。

2022年7月5日、LHCb共同研究チームは、15シグマの重要性を持つさらなる新しいペンタクォーク^{[24]を発見したと発表しました。P} _ψs ^Λ (4338) ⁰と指定され、その組成はudsc cと記述され、ストレンジクォークを含む最初の確認されたペンタクォークを表しています。^[25]

ペンタクォークの発見により、物理学者は強い力をより詳細に研究できるようになり、量子色力学の理解にも役立つだろう。さらに、現在の理論では、非常に大きな星の中には崩壊時にペンタクォークを生成するものもあると示唆されている。ペンタクォークの研究は、中性子星の物理学を解明するのに役立つかもしれない。^[10]

• バリオン（トリクォーク）
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• 粒子のリスト
• クォークモデル
• テトラクォーク

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