CERNの大型ハドロン衝突型加速器で新たなエキゾチックハドロンを発見

Image: CERN

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を用いた国際共同研究チームが、「ペンタクォーク」と「テトラクォーク」といったエキゾチックハドロンを新たに発見した。同研究成果は、2022年7月5日に行われた欧州原子核研究機構（CERN）のセミナー「Particle Zoo 2.0: New tetra- and pentaquarks at LHCb」で発表された。

クォークは素粒子のうちの1つで、アップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムの6種類ある。通常、2個や3個で結合し、原子核を構成する陽子や中性子などのハドロンを形成する。しかし、まれに4個のテトラクォークや5個のペンタクォークなどのエキゾチックハドロンを形成する。エキゾチックハドロンは約60年前、従来のハドロンと同時に、理論家によって予言されていたが、LHCなどの実験によって観測されたのは比較的最近で、ここ20年のことだ。

過去20年間に発見されたエキゾチックハドロンのほとんどは、チャームクォークとチャーム反クォークを含むテトラクォークまたはペンタクォークだ。しかし、過去2年間で、LHCで異なる種類のエキゾチックハドロンが発見された。

2年前には、2個のチャームクォークと2個のチャーム反クォークからなるテトラクォークと、それぞれ1個のチャーム反クォーク、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジ反クォークからなる「オープンチャーム」のテトラクォークを同研究チームが発見。そして昨年、2個のチャームクォークと1個のアップ反クォーク、1個のダウン反クォークを持つ「ダブルオープンチャーム」のテトラクォークを発見した。オープンチャームとは、チャームクォークを含むが、等量の反クォークを含まない粒子を意味する。

そして今回、新しい種類のエキゾチックハドロンが発見された。1種類目は、それぞれ1個のチャームクォーク、チャーム反クォーク、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークからなるペンタクォークで、負の電荷を持つB中間子の「崩壊」の分析で観測された。ストレンジクォークを含むペンタクォークが観測されたのは初めてだ。

2種類目は、二重に電荷を帯びたテトラクォークだ。それぞれ1個のチャームクォーク、ストレンジ反クォーク、アップクォークとダウン反クォークからなるオープンチャームのテトラクォークで、正電荷のB中間子と電荷のないB中間子の崩壊を合わせて解析した際に、対応する電荷のないテトラクォークと一緒に発見された。後者はそれぞれ1個のチャームクォーク、ストレンジ反クォーク、アップ反クォークとダウンクォークからなる。テトラクォークのペアが観測されたのも初めてだ。

今回の発見は、正確な性質がほとんど知られていないエキゾチックハドロンの統一モデルの理論的進展や、従来のハドロンのより深い理解に役立つという。

CERNの大型ハドロン衝突型加速器で新たなエキゾチックハドロンを発見