真理を求めて20年

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チャーミング重粒子発見

2017-07-16 15:47:30 | 日記
大型ハドロン衝突加速器(LHC)で新たなる粒子、”チャーミング”重粒子が発見される
世界最大の加速器によって発見された新種の粒子は、二重のチャームを持つ存在を示唆している。
スイス、ジュネーブにある大型ハドロン衝突加速器(LHC)で陽子を光速に近い速度で衝突させた結果、Ξcc++(グザイccダブルプラス)が出現した。
2つのいわゆるチャームクォークによって構成される粒子の発見は、粒子物理学の主要な理論である標準モデルの予測の正しさを裏付けるものだ。

粒子に新顔が仲間入り
Ξはバリオンという3つのクォークから構成される亜原子粒子だ。バリオンで最も有名なのは私たちの周囲にあるものを作り上げる陽子と中性子だろう。
クォークには6種類あり(フレーバーと呼ばれる)、それぞれをアップ、ダウン、チャーム、ストレンジ、トップ、ボトムという。このフレーバーの組み合わせと数が変わることで、バリオンの質量と電荷が変わる。
Ξは重い。欧州原子核研究機構(CERN)によると、チャームクォーク2つとアップクォーク1つで構成されており、3,621ミリオン電子ボルト(MeV。E = mc2を用いてエネルギーを質量に換算できるため、粒子の質量はエネルギーで測る)を持つ。
ちなみに、陽子はアップクォーク2つとダウンクォーク1つで構成され、938MeVだ。
Ξはほんの一瞬しか存在しないため、直接見ることはできない。ゆえにΞの崩壊生成物からその存在が特定された。つまりΞが崩壊して残すラムダ粒子、3つのK中間子、2つのパイ中間子だ。

ついに発見された粒子
Ξccの存在は以前から予測されていたが、その質量が不明で、理論予測が正しいものなのかどうかは分からなかった。今回の発見で理論的な正しさが確かめられた形だ。2014年に理論的な質量について述べたシカゴ大学のジョナサン・ロズナーが計測した質量は3,627MeVで、理論上の3,621MeVとかなり近い。
実は2002年にフェルミ研究所の実験でΞが発見されたかに思われたが、これは予測より100MeVも低い数値であった。仮にLHCでも同様に質量が軽いことが確かめられれば、標準モデルにどこか誤りがあると考えざるをえなかった。しかし、今回の発見で、またもや標準モデルは生き延びることができたわけである。

チャームを持つ存在
この発見は、2つ重いクォークで構成されるバリオンが実際に存在することも証明した。これまでの実験では重いクォークを1つ持つ粒子なら確認できたが、2つのものは未発見で、それが存在するかどうか確かなことは不明であった。Ξのようなバリオンは2つのチャームクォークを持つため、”ダブルのチャームを持つ(doubly charmed)”と呼ばれている。
またΞが重い仲間を”軌道”する(クォークは量子力学に従う物体であるため、野球ボールのような位置は持たない。ゆえに厳密には正しい説明ではない)軽いアップクォークを残すことも不思議である。3つのクォークが互いの周囲で凝ったダンスを踊る他のバリオンと対照的に、二重に重いバリオンは恒星系のような挙動をすると予測される。つまり2つの重いクォークが重い恒星のように互いの周囲を旋回し、軽いクォークがその連星の周りを軌道するといった具合である。
さらに4つの基本相互作用の1つである、強い相互作用についても新しい知見をもたらすことだろう。これが強い相互作用を説明する量子クロモ力学を解き明かす貴重なツールになるからだ。
発見の詳細は『フィジカル・レビュー・レターズ』に投稿された。
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