LHC衝突で「クォーク合体」の証拠が見つかる – Physics World

LHCb実験に取り組む物理学者らは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での陽子衝突後のクォークのハドロンへの進化に「クォーク合体」が役割を果たしているという証拠を確認した。 1980年代に最初に提案されたこのメカニズムは、新しいクォークを作成するのではなく、重複する波動関数を持つ既存のクォークを結合させます。これは横運動量が低いときに最も顕著であり、クォークが衝突点から急速に逃げるにつれて徐々に消失します。

クォークとは、原子核内の陽子や中性子を構成する粒子であり、その他多数のハドロン（重粒子）が強い相互作用を感じています。それらの最も奇妙な特徴の 1 つは、それらを単独で観察することが決してできないことです。その主な理由は、距離とともに強度が低下する重力、電磁気、弱い相互作用とは異なり、束縛されたクォークが離れるにつれて強い相互作用の効果が大きくなるということです。クォークが十分に離れている場合、強い相互作用を媒介するグルーオン場には、粒子と反粒子のペアを作成するのに十分なエネルギーが含まれています。これらは元のクォークに結合し、中間子 (1 つのクォークと 1 つの反クォークの組み合わせ) またはバリオン (3 つのクォークで構成される) のいずれかになる新しい結合粒子を作成します。このプロセスは断片化と呼ばれます。

しかし、重イオン衝突に関する実験は、これがすべてではないことを示唆しています。物理学者は、クォークは、合体と呼ばれるプロセスでこれらの大きな粒子が互いに衝突することによって形成される高密度のクォークとグルーオンのプラズマの中で結合することもできると考えています。

「衝突が起こると、大量のクォークと反クォークのペアが形成され、互いに遠ざかり始めます。波動粒子の二重性により、各粒子にはその大きさがある程度わかる波長があります」とマット・ダーラムは説明する。 Los Alamos National Laboratory 米国では、LHCb コラボレーションのメンバーです。

既存のクォークが結合する

「互いに重なり合う 3 つのクォークがある場合、それらをまとめてバリオンに凍結します。重なっている 2 つのクォークがある場合は、それらを一緒に中間子に固定します。他のクォークと重複しないクォークがある場合、それは断片化する必要があります」とダーラムは説明します。 「したがって、合体は衝突で生成されたクォークを受け取り、それらをくっつけます。断片化では、真空から新しいクォークを作る必要があります。」

重イオン衝突における合体は「一般に受け入れられている」とダーラム氏は言う。それは、そうでなければ実験で生成される陽子とパイオンの比率を説明するのが難しいからである。ただし、重イオンの衝突は厄介で、理論的な予測は必然的に不正確になります。新しい研究では、LHCb チームは陽子と陽子の衝突における b クォークの生成を研究しました。ボトム クォークまたはビューティー クォークとも呼ばれる b クォークは、素粒子物理学の標準模型で 2 番目に重いクォークです。

b クォークの生成は、ほぼ確実に b-ラムダバリオンか B のいずれかを生成します。⁰ 中間子、どちらも ab クォークを含みます。これら 2 つの生成比は、電子陽電子衝突によって b クォークが生成される実験で広範囲に研究されていますが、このプロセスは断片化のみを引き起こす可能性があります。 「断片化だけであれば、この比率は普遍的なはずです」とダーラム氏は言います。

LHCb チームは、陽子と陽子の衝突に関する数年間のデータを徹底的に調べ、b クォークを生成した衝突による崩壊生成物を研究しました。衝突ビームと比較して横運動量が高く、同時に検出された他の出射粒子がほとんどない衝突の場合、バリオンと中間子の比は、電子陽電子実験の比とほぼ等しかった。

さらなるバリオン

しかし、横運動量が低下し、同時に検出される他の粒子の数が増加するにつれて、中間子の割合に比べてバリオンの割合が徐々に増加しました。これは、バリオンを生成する可能性がより高い別のプロセスがこれらの衝突で働いていることの明らかな証拠であると研究者らは結論付けた。このシナリオでは、b クォークは他のクォークに囲まれていますが、生成されたクォークが他の粒子からより離れるにつれて、ますます不利になりました。 「それを説明するには合体が必要です。」とダーラム氏は言い、「ここでそれをかなり決定的に示したと思います。」と付け加えました。

「このデータには間違いなく説得力があると思います」と理論家は言う ラルフ・ラップ テキサスA&M大学の博士。 「かつては、非常に小さな系（クォークと反クォークのペアが 1 つだけ存在する電子 - 陽電子の極端なシステム）と、数千のクォークが存在する重イオン系との間には断絶がありました。彼らが本当に自分たちの主張を主張する方法は、観察されるハドロンの数の関数として、その効果がどのように消えて電子陽電子の限界を回復するかを体系的に示すことであり、これは、合体するクォークと反クォークの数を測定する観測値である。」

実験家 アンゼルム・ヴォッセン ノースカロライナ州のデューク大学の教授は、この研究が「非常に素晴らしい」ことに同意しているが、断片化分数の計算に使用された基礎的な仮定には分離されたクォークが含まれているため、このような場合に低い横運動量で誤った結果が得られるのはおそらく驚くべきことではない、と指摘している。そうではない。 「これらはすべてモデルです」と彼は言います。 「合体モデルで何かを使用すればそれが機能するということは非常に示唆的ですが、それが『真実』であるという意味ではありません。」

研究はで説明されています Physical Review Lettersに.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/