クアルコニウム

素粒子物理学において、クォーコニウム（クォークとオニウムから成り、複数形はクォーコニア）は、重いクォークとそれ自身の反クォークから構成されるフレーバーのない 中間子であり、中性粒子であると同時に反粒子でもある。「クォーコニウム」という名前は、電子と反電子の結合状態であるポジトロニウムに似ている。この粒子は、物質と反物質の消滅により短命である。

軽いクォーク（アップ、ダウン、ストレンジ）は重いクォークよりも質量がはるかに小さいため、実験で実際に見られる物理的状態（η、η′、π ⁰中間子）は軽いクォークの状態の量子力学的混合です。チャームクォークとボトムクォークと軽いクォークの間の質量差ははるかに大きいため、特定のフレーバーのクォーク-反クォークペアの観点から明確に定義された状態になります。

クォークニウムはチャーモニウム ( ) とボトモニウム( ) のペアの束縛状態であり、超相対論的重イオン衝突で生成される非閉じ込めクォーク・グルーオン・プラズマを研究するための重要なプローブです。^[1]およびファミリーは、ハドロンのクォーク構造の直接的な証拠を提供し、摂動論的量子色力学(QCO)のクォーク・グルーオン描像をサポートし、QCD スケールパラメータ を決定するのに役立ちます。トップクォークの質量が大きいため、トップクォークは束縛状態が形成される前に電弱相互作用により崩壊するため、トポニウム( )の直接観測は非常に困難です。クォーコニウム状態の解離温度は結合エネルギーに依存し、やのような強く結合した状態は、チャーモニウムファミリーの やボトモニウムのなどの緩く結合した状態と比較して、より高温で融解します。この連続的な解離プロセスにより、クォーコニウム解離が主なメカニズムであると仮定すると、クォーコニウム解離確率を使用して媒体の温度を推定することが可能になります。^[2]${\displaystyle c{\bar {c}}}$ ${\displaystyle b{\bar {b}}}$${\displaystyle \psi}$${\displaystyle \Upsilon }$${\displaystyle \Lambda}$${\displaystyle t{\bar {t}}}$${\displaystyle J/\psi }$${\displaystyle \Upsilon (1S)}$${\displaystyle \psi (2S)}$${\displaystyle \chi_{c}}$${\displaystyle \Upsilon (2S)}$${\displaystyle \Upsilon (3S)}$

次の表では、同じ粒子を分光学的表記法または質量で命名することができます。励起系列が使用される場合もあります。ψ′はψの最初の励起です（歴史的な理由から、
J/ψ
粒子); ψ″ は 2 番目の励起、などです。つまり、同じセル内の名前は同義です。

いくつかの状態は予測されているが、特定されておらず、他の状態は未確認である。X (3872)粒子の量子数は、最近、CERNのLHCb実験によって測定された。^[3]この測定により、想定されている3つのオプションのうち3番目のオプションが除外され、その正体が明らかになった。

• チャーモニウムハイブリッド状態
• 1つの
  だ⁰
  
  だ^∗0
  分子
• ^{1 1} D ₂州の候補者

2005年、BaBar実験で新しい状態Y(4260)の発見が発表された。^{[4] [5]} CLEOとBelleはその後これらの観測を裏付けた。当初、Y(4260)はチャーモニウム状態であると考えられていたが、証拠はD「分子」、4クォーク構造、またはハイブリッド中間子などのより珍しい説明を示唆している。

注:

[ _* ]確認が必要です。

[†] 1 ⁻⁻チャーモニウム状態としての解釈は好ましくない。

[‡]予測されているが、まだ特定されていない。

次の表では、同じ粒子が分光学的表記法または質量で命名されています。状態の中には予測されているものの特定されていないものもあれば、未確認のものもあります。

注記:

[ _* ]暫定的な結果です。確認が必要です。

の
ϒ
（1S）状態は、1977年にフェルミ国立加速器研究所のレオン・レーダーマン率いるE288実験チームによって発見され、ボトムクォークを含む最初の粒子として発見されました。2011年12月21日、
χ
_b2(3P)状態は大型ハドロン衝突型加速器で発見された最初の粒子であり、発見論文はarXivに初めて掲載された。^{[9] [10]} 2012年4月、テバトロン社のDØ実験により、 Physical Review Dに掲載された論文でこの結果が確認された。[11] [12] J = ^1および J = 2状態は、 2018年にCMS実験によって初めて解決された。^[8]

トポニウムは、トップクォーク（ ）とその反粒子であるトップ反クォーク（）の仮想的な束縛状態である。 ^[13]標準ゲージ理論は、第3のクォーク-レプトン族を完成させるために -クォークの存在を予測しているが、トポニウムを観測する試みは成功していない。トップクォークの急速な崩壊とビームエネルギーの大きな広がりは、実験上の大きな課題となっている。^{[14] [15]}それにもかかわらず、特定の崩壊生成物やトップクォーク対を示す異常を検出するなど、間接的な方法による探索が続けられている。トポニウムの崩壊を研究することは、質量が約70 GeVまでのヒッグス粒子を探索するための有望なアプローチであり、ボトモニウムの崩壊における同様の探索は、この範囲を160 GeVまで拡張できる可能性がある。さらに、軽いクォークニウムのグルーオン崩壊幅を研究することは、量子色力学（QCD）スケールパラメータを決定するのに役立つ可能性がある。^[16]${\displaystyle t}$${\displaystyle {\bar {t}}}$${\displaystyle t}$${\displaystyle (t{\bar {t}})}$

量子色力学(QCD)における中間子の特性の計算は、完全に非摂動的な計算です。その結果、利用可能な唯一の一般的な方法は、格子 QCD (LQCD) 技術を使用した直接計算です。^[要出典]ただし、重いクォーコニウムの場合は、他の技術も有効です。

中間子内の軽いクォークは、束縛状態の質量がクォークの質量よりはるかに大きいため、相対論的な速度で動きます。しかし、それぞれのクォーコニア内のチャームクォークとボトムクォークの速度は十分に小さいため、これらの状態における相対論的効果は大幅に低減されます。速度 は、チャーモニアの場合は光速の約 0.3 倍、ボトムモニアの場合は光速の約 0.1 倍と推定されます。計算は、との累乗展開によって近似できます。この手法は、非相対論的 QCD (NRQCD) と呼ばれます。 ${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle \mathbf {v} /c}$${\displaystyle v^{2}/c^{2}}$

NRQCD は格子ゲージ理論としても量子化されており、これは LQCD 計算に使用できる別の手法を提供します。ボトモニウム質量との良好な一致が見つかっており、これは LQCD の最良の非摂動テストの 1 つを提供します。チャーモニウム質量については一致はそれほど良くありませんが、LQCD コミュニティは積極的に手法の改善に取り組んでいます。クォーコニア状態の幅や状態間の遷移率などの特性の計算にも取り組んでいます。

初期の、しかし今でも有効な手法では、有効ポテンシャルのモデルを使用してクォークニウム状態の質量を計算します。この手法では、クォークニウム状態を構成するクォークの運動が非相対論的であるという事実を利用して、クォークが水素原子の非相対論的モデルと同様に静的ポテンシャル内で運動していると仮定します。最も人気のあるポテンシャルモデルの1つは、いわゆるコーネル（またはファンネル）ポテンシャルです。^[17]

${\displaystyle V(r)=-{\frac {a}{r}}+b\,r,}$

ここで、はクォーコニウム状態の有効半径であり、はパラメータです。 ${\displaystyle r}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$

このポテンシャルには 2 つの部分があります。最初の部分 は、クォークと反クォーク間の 1 つのグルーオン交換によって誘起されるポテンシャルに対応し、その形が電磁力によって誘起されるよく知られたクーロン ポテンシャルと同一である ため、ポテンシャルのクーロン部分として知られています。${\displaystyle a/r}$${\displaystyle 1/r}$

2 番目の部分 は、ポテンシャルの閉じ込め部分として知られ、QCD のあまり理解されていない非摂動効果をパラメータ化します。一般に、このアプローチを使用する場合、クォークの波動関数の便利な形式が取られ、計算結果を適切に測定されたクォーコニウム状態の質量に当てはめることによって、 とが決定されます。相対論的効果やその他の効果は、非相対論的量子力学のモデル水素原子の場合と同様に、ポテンシャルに追加の項を追加することでこのアプローチに組み込むことができます。 ${\displaystyle b\,r}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$

この形式は、角野（2003）までQCDから導出された。^[18]この形式は、長い格子計算を行わずにクォークニウムパラメータの正確な予測を可能にし、QCDによって生成されるクォーク/反クォーク力の理解に役立つ 短距離クーロン効果と長距離閉じ込め効果を分離できるため、人気がある。${\displaystyle {\mathcal {O}}(\Lambda _{\text{QCD}}^{3}\,r^{2})}$

クォークニアは、クォーク・グルーオン・プラズマの形成の診断ツールとして提案されています。プラズマ中の重いクォークの生成量に応じて、クォークニアの形成が消失したり、促進されたりする可能性があります。

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