中国高エネルギー物理研究所の研究者たちは、世界的に新しい物質の形態であるグルーオンボールの存在を実験的に証明する証拠を初めて発見しました。この研究成果は、北京スペクトロメーターIII（BESIII）実験で得られたもので、中国科学院が主導する国際共同プロジェクトの一部です。物理学の標準モデルは、私たちの宇宙の基本的な構成単位である原子が物質粒子と力の媒介者から成り立っていると示しています。物質粒子、すなわちクォークと呼ばれるフェルミオンは、陽子や中性子を構成し、これらの粒子は正電荷と中性電荷を持ち、原子核内に存在します。
力の媒介者はグルーオンであり、クォークを密接に結びつける役割を果たします。物理学者たちは長い間、グルーオン同士が相互に引き合い、結合してグルーオンボールを形成することができると考えてきました。これは、完全に力の媒介者から成る新しいタイプの物質です。過去50年間にわたり、グルーオンボールの存在を証明するための多くの実験が行われてきました。しかし、2011年まで、中国の科学者たちはBES III実験で初めて潜在的なグルーオンボール候補を発見しました。
グルーオンボールはどのように発見されたのでしょうか？BES IIIは高エネルギー物理研究所の粒子物理学実験であり、量子色力学（QCD）をさらに研究し、標準モデルを超える物理現象を探求することを目的としています。この実験は、北京電子陽電子対撞機II（BEPC II）からのデータを収集しており、周囲の長さは787フィート（240メートル）の円形の対撞機です。BEPC IIは大量のJ/ψ粒子を生成でき、その崩壊がグルーオンボールを探す最良の方法であるため、BES IIIの研究者たちは20年以上前からこれらの粒子を探し続けています。
2011年、チームはX(2370)と呼ばれる新しい粒子を初めて発見しました。その後の13年間で、彼らは100億以上のJ/ψ粒子の崩壊を記録し、そのスピン-パリティ量子数が0⁻⁺であることを確認しました。
グルーオンボールの発見は量子色力学に重要な証拠を提供する
この新しい粒子の質量と量子数はグルーオンボールの予測と完全に一致しており、研究者たちはその名称に対する自信を深めています。この発見の重要性は、研究者たちが最近X(2370)の多くの新しい崩壊モードを発見し、その「フレーバー単重性」特性、つまりクォークフレーバーのマークが欠如していることを確認した点にあります。これはグルーオンボールの最も重要な特徴であり、擬似スカラグルーオンボールに対する完全な実験的証拠の連鎖を提供します。この結果は、グルーオンが相互に結合して全く新しい物質を形成できるという理論的予測を確認しました。この発見は、量子色力学における非アーベル規範構造の直接的なテストでもあり、この構造もまたグルーオンが引き合い、結合できることを示していますが、クォークは関与しません。
これは非常に重要であり、量子色力学が正しい理論であることを確認し、低エネルギーでの検証を得るのに役立ちます。過去50年以上で最も明確な実験として、グルーオンボールの証拠を見つけたこの発見は、強い相互作用の研究におけるBEPC IIの重要性も示しています。この研究成果は、ブラジルで開催された国際高エネルギー物理会議で発表されました。