クォーク4個から成る「純粋テトラクォーク」

クォーク4個から成る「純粋テトラクォーク」
－加速器実験で見えた新粒子をスーパーコンピュータ「富岳」で解明－

2023年10月20日
理化学研究所
京都大学
大阪大学

　理化学研究所（理研）数理創造プログラムの土井琢身専任研究員、初田哲男プログラムディレクター、リュー・ヤン研修生（研究当時）、京都大学基礎物理学研究所の青木慎也教授、大阪大学感染症総合教育研究拠点の池田陽一教授らの国際共同研究グループは、クォーク^[1]4個から成る純粋テトラクォーク状態T_cc^[2]の性質を理論的に解明しました。

　本研究成果は、素粒子クォークがどのように組み合わさった状態が物質として存在できるのかという、現代物理学の根源的問題の解明に貢献すると期待されます。

　クォークは物質の基本構成要素となる素粒子です。これまで、クォーク2個から成る中間子、3個から成るバリオンが実験で観測されてきました。クォーク4個、5個、…といったそれ以外の組み合わせの状態が存在するかは長年の謎でした。しかし、2022年にLHCb^[3]加速器実験で発見されたT_cc状態は、純粋にクォーク4個から構成されるテトラクォーク状態と考えられており、その性質の解明が求められていました。

　今回、国際共同研究グループは、T_ccについてクォークの基礎理論である量子色力学（QCD）^[4]に基づいた理論研究を行いました。スーパーコンピュータ「富岳」^[5]を用いた大規模数値シミュレーションの結果、T_ccの構成要素としてD中間子^[6]とD*中間子^[6]の間に強い引力が働くことを明らかにし、この二つの中間子が結びつくことでテトラクォーク状態T_ccが形成されることを解明しました。

　本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（10月16日付）にEditors’ Suggestion（特に重要かつ興味深い論文）として掲載されました。

くわしくは理化学研究所のプレスリリースをご覧ください。
https://www.riken.jp/press/2023/20231020_3/index.html

研究支援

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金基盤研究（S）「クォークから中性子星へ：QCDの挑戦（研究代表者：初田哲男）」「QCDから解き明かす重クォークエキゾチック粒子の謎（研究代表者：土井琢身）」、同新学術領域研究（研究領域提案型）「第一原理計算から明らかにする階層構造の発現機構（研究代表者：肥山詠美子）」、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「シミュレーションで探る基礎科学：素粒子の基本法則から元素の生成まで（課題責任者：橋本省二）」「シミュレーションでせまる基礎科学：量子新時代へのアプローチ（課題責任者：橋本省二）」、計算基礎科学連携拠点（JICFuS）による助成を受けて行われました。

掲載論文

タイトル

Doubly Charmed Tetraquark Tcc+ from Lattice QCD near Physical Point

著者名

Yan Lyu, Sinya Aoki, Takumi Doi, Tetsuo Hatsuda, Yoichi Ikeda and Jie Meng

雑誌

Physical Review Letters

DOI

10.1103/PhysRevLett.131.161901

補足説明

[1] クォーク
物質を構成する最も基本的な素粒子。質量の軽い順に、アップ（u）、ダウン（d）、ストレンジ（s）、チャーム（c）、ボトム（b）、トップ（t）の6種類があり、それぞれが3種類のカラー（赤、緑、青）を持つ。またこれら計18種類のクォークのそれぞれに対応する反クォークが存在する。このうちアップ、ダウンクォークは核子の約300分の1の質量を持つ軽いクォークで、チャームクォークは核子の約1.4倍の質量を持つ重いクォークであり、それらの組み合わせから多彩な粒子が形成されると考えられている。

[2] 純粋テトラクォーク状態T_cc
テトラ（tetra）とはギリシャ語で「四つの」という意味であり、テトラクォーク状態とはクォーク4個から成る複合体をいう。このうちT_ccは、チャーム（c）2個（および反アップ、反ダウン各1個で計4個）を含むテトラクォーク状態のことである。一般に同じ種類のクォークと反クォークは一対で消滅できるため、テトラクォーク状態の候補のほとんどはクォーク2個の状態と混合してしまうが、T_ccはそのような対消滅が起こり得ずクォーク数が決して4個未満にならないことから、純粋テトラクォーク状態とも呼ばれる。なお、T_ccはティー・シー・シーと読む。

[3] LHCb、LHC
LHCは、欧州原子核研究機構（CERN）に設置されている大型ハドロン衝突型加速器（Large Hadron Collider）の略称であり、全周27kmとなる世界最大の衝突型円形加速器。主にATLAS、CMS、ALICE、LHCb実験が行われている。このうちLHCb実験は重いクォークを含む状態の実験に適しており、素粒子標準理論の検証や新奇な粒子（新奇なハドロン）の探索に強みを持つ。

[4] 量子色力学（QCD）
量子色力学は、原子核を構成するクォークとその間に働く強い相互作用を媒介するグルーオンが従う物理法則であり、素粒子の標準理論の一部である。南部陽一郎博士（2008年ノーベル物理学賞受賞）が1966年にその原型を提唱した。量子色力学によれば、クォークは単体で存在できず、常に数個のクォークが集まって複合体（ハドロン）を作ると考えられている。QCDはquantum chromodynamicsの略。

[5] スーパーコンピュータ「富岳」、スーパーコンピュータ「京」
「富岳」は、社会的・科学的課題の解決で日本の成長に貢献し、世界をリードする成果を生み出すことを目的とし、電力性能、計算性能、ユーザーの利便性・使い勝手の良さ、画期的な成果創出、ビッグデータやAIの加速機能の総合力において世界最高レベルのスーパーコンピュータ。2021年3月に共用開始し、計算速度は約442ペタフロップス。「京」は、「富岳」の前世代のスーパーコンピュータ。2012～19年に共用運用され、その計算速度約11ペタフロップスは、当時世界最高レベルの性能であった。ペタフロップスは計算性能の単位で、毎秒1,000兆回の浮動小数点演算ができることを表す。

[6] D中間子、D*中間子、パイ（π）中間子
中間子はクォーク1個と反クォーク1個から構成される粒子であり、D中間子はD⁰中間子（チャームと反アップ）とD⁺中間子（チャームと反ダウン）の総称である。D*中間子も同様にD*⁰中間子（チャームと反アップ）とD*⁺中間子（チャームと反ダウン）の総称であるが、D中間子はスピン（粒子が持つ角運動量）と呼ばれる量が0であるのに対し、D*中間子はスピンが1であるという違いがある。パイ（π）中間子は湯川秀樹博士（1949年ノーベル物理学賞受賞）が1935年にその存在を予言した粒子であり、π⁺中間子（アップと反ダウン）、π⁰中間子（アップと反アップ、もしくはダウンと反ダウン）、π^–中間子（ダウンと反アップ）の総称である。