粒子動物園の版図がさらに奇妙になってきました。物理学者たちは捉えにくい奇異粒子を探していましたが、結果として伝統的なクォーク対束縛モデルに単純に組み込むことができない二つの予期しない構造の証拠を発見しました。「私たちは新しい時代に突入しています。70年以上前と同じように。最初は、多くのハドロンが発見されました。今、私たちはいわゆる奇異状態の動物園に直面しています。」ドイツのGSIヘルムホルツ重イオン研究センターの科学者、フランク・ネルリングは述べています。アメリカ合衆国エネルギー省のトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の研究成果は、強い核力が自然界で最も興味深い粒子をどのように構築するかを研究するための新たな手がかりを提供することが期待されています。この強い核力は原子核の安定を維持する鍵となる力です。
GlueX実験が偶然にも二つの新しい粒子構造を明らかにする
この探索はXYZ状態から始まりました。これは21世紀初頭以来、実験で次々と現れた一連の短寿命粒子の集合です。問題は、これらの粒子が一つのクォークと一つの反クォークから成る場合、すなわち伝統的なクォークモデルに従うならば、多くの観測結果が予想に反することです。特に困惑させられる例の一つはY(2175)で、質量は約2.16 GeVの疑わしい奇異偶素粒子です。この粒子は2006年にアメリカ合衆国エネルギー省のSLAC国立加速器実験室のBaBar実験によって最初に報告されました。
北京のスペクトロメーターと日本のBelle実験の後続研究はその存在を支持していますが、すべての観測は電子と陽電子の衝突から得られています。
これにより重要な疑問が生じます：Y(2175)は全く異なる生成方法でも現れるのでしょうか？ジェファーソン研究所のGlueX共同研究チームはその答えを探し始めました。しかし、彼らの実験ではY(2175)は見つからず、代わりに近い質量領域で二つの構造の証拠が発見されました：質量約2.24 GeVのY(2240)と、質量約1.82 GeVのX(1830)です。「私たちは光子ビームを用いて確認されたXYZ候補粒子を探していましたが、結果的に別の二つの構造を発見しました。
これは全く新しい情報です。」ジェファーソン研究所の職員科学者マルテ・アルブレヒトは述べています。
高強度光子ビームが粒子探索の武器に
GlueX実験は奇異メソン、特にグルーオンが直接関与する可能性のある粒子を専門に研究しています。研究チームはジェファーソン研究所の連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）を利用して独特の探査ツールを準備しました。CEBAFは電子を超薄型ダイヤモンドウィファーに向けて発射し、それを平行スピンを持つ高エネルギー光子ビームに変換します。これらの光子はその後、液体水素ターゲット中の陽子に衝突し、多くの二次粒子を生成します。一組の大型スペクトロメーターが衝突生成物を記録し、研究者たちは短命の粒子状態を再構築することができます。
実験の規模は非常に大きいです。毎秒数百万の光子がターゲットに衝突し、生成されるデータは短時間で普通のノートパソコンのハードドライブを満たすのに十分です。「現行のエネルギー条件下で、これほどの強度の光子ビーム施設を持つ実験は他にありません。これは本当にユニークな設定です。」アルブレヒトは述べています。研究チームは膨大なデータの中からY(2175)の証拠を特に探しましたが、その粒子は予想された位置には現れず、むしろ異なる質量の二つの構造が浮かび上がりました。
「この結果の一つの興味深い点は、私たちが探していた位置でY(2175)を観察しなかったことです。全く異なる物理過程を通じて新しい現象を発見しました。これは確かに魅力的です。しかし、これらの構造を観察したからといって研究が終わったわけではありません。」アルブレヒトは付け加えました。Y(2240)の証拠は特に強力で、五つの標準偏差（5σ）の有意性に達し、約99.9994%の信頼度を持っています。X(1830)は3σの有意性に達し、約99.7%の信頼度です。
二者の違いは重要です：Y(2240)の信号は粒子物理学の観測の五つの標準偏差基準を満たしていますが、より弱いX(1830)の信号はその性質を確立するためにさらなる証拠が必要です。
新発見が奇異物質研究に新たな方向性を開く
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これらの構造は単なる出発点に過ぎないことがわかりました。科学者たちは今なお、Y(2240)とX(1830)の真の正体を特定できていません。これらはクォークとグルーオンの異常な配置に関与している可能性があるか、あるいは既知の複合粒子の特定の組み合わせであるかもしれません。「励起状態のグルーオン場は、これらのメソンの中に存在する可能性があり、その構造は単純なクォークと反クォークの対を超えています。研究の一つの方向性は、私たちが観察している構造にグルーオンの寄与が存在するかどうかを理解しようとすることです。」物理学教授でありGlueXの代表であるジャスティン・スティーブンスは述べています。
新たな測定結果は、理論家たちに異常物質に関するさまざまな競争的な説明を検証するための新しい目標を提供します。この研究はまた、Y(2175)の光子衝突による生成頻度の上限を設定し、研究者が将来の実験を設計し、物質内部でのクォークとグルーオンの振る舞いを深く理解するのに役立ちます。「次のステップは、自然界がどのような異常クォーク構成を実現できるかを明確にすることです。理論家たちはさらなる結論を導き出し、これらの特定の状態の真の性質を特定するための測定方法を識別するかもしれません。」ネルリングは付け加えました。大量のGlueXデータがまだ分析待ちであるため、研究チームは粒子動物園がさらに混雑し、理解しやすくなることを期待しています。
この研究は、粒子物理学の標準モデルをより広範に検証し、既存の枠組みがますます正確な実験で発見された粒子を完全に説明できるかどうかを探るのに役立ちます。