陽子の中の反物質が持つ大きな非対称性の発見 反クォークの生成過程により物質の成り立ちを探る

要点

• 陽子中の反物質である反クォークの存在量を、反クォークの運動量が大きい領域で実験により測定した結果、反クォークのフレーバー対称性が大きく破れていることを発見した。
• 運動量が大きい領域で、反ダウンクォークは反アップクォークより50%も多く陽子中に存在することがわかった。
• 陽子の基本的性質を決める仕組みを解明する手がかりとして期待される結果である。

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の中野健一助教、柴田利明名誉教授（日本大学特任教授）、山形大学 学術研究院の宮地義之教授、理化学研究所 仁科加速器科学研究センターの後藤雄二先任研究員、高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所の澤田真也教授らは、陽子の内部において、反クォーク^[用語1a]の運動量が大きい領域でそのフレーバー対称性^[用語2]が大きく破れていることを、陽子ビーム実験によって明らかにした。

陽子はあらゆる物質を形作る基本粒子の一つであるが、その内部はクォーク・反クォーク・グルーオンという素粒子（＝パートン）^[用語1b]の複合体になっている。陽子の質量・半径・スピンなどの基本的な性質は測定によって知られているが、そうした性質がパートンからどのように生じているかは未解明である。本研究では、米国フェルミ国立加速器研究所（FNAL）での日本・アメリカ合衆国・台湾の研究チームによる国際共同実験（SeaQuest実験^[用語3]）によって陽子の中の反クォークのフレーバー対称性を検証した。その結果、反クォークの運動量^[用語4]が大きい領域では、反ダウンクォークが反アップクォークより50%も多く存在し、フレーバー対称性が破れていることを突き止めた。この結果は、陽子の中に、フレーバー対称性を大きく破るこれまでに明らかになっていない何らかの仕組みがあることの証拠である。

本成果は、英国時間2021年2月24日公開の学術誌「Nature」に掲載された。

背景

陽子はあらゆる物質を形作る基本的な粒子であるが、より小さな空間（＝短い時間）の尺度で観測すると、内部に構造が現れる。つまり、強い相互作用^[用語5]によってグルーオンの放射やクォーク・反クォークの対生成が起こり、クォーク・反クォーク・グルーオンという素粒子（＝パートン）の複合体になっている（図1）。

2個のアップクォーク (u) と1個のダウンクォーク (d) からグルーオン (g) の放射やクォーク・反クォークの対生成が起こり、クォーク・反クォーク・グルーオンの複合体になっている。

陽子の質量・半径・スピンなどの基本的な性質は、測定によって知られているが、陽子の元となるパートンは半径がゼロで、質量もゼロまたはたいへん小さいため、そうした陽子の基本的な性質がパートンからどのように生じているかは未解明である。例えば、クォークと反クォークは、ヒッグス粒子が関与する仕組みによって質量を得るが、それは陽子の質量の約1%に過ぎない。残りの質量を生み出しているものは、パートンを強い相互作用によって陽子に閉じ込めているエネルギーである。したがって、陽子のパートン構造の研究は、陽子の質量、ひいては全物質の質量の起源を解明することに繋がる。

特に陽子の中の反クォークは、物質中の反物質粒子であるため、クォーク・反クォークの対として短時間で生成し、消滅している。したがって、反クォークの存在量を測定することにより、陽子の中が短い時間で変化していく様子を捉えることができる。強い相互作用の重要な性質の一つとして、反クォークはフレーバー対称性を保つはずなので、陽子の中で反アップクォークと反ダウンクォークの存在量は等しいことが期待されていた。

しかし1991年にNMC実験^[用語6]によって、このフレーバー対称性が破れていることが発見された。その後、この破れの大きさは、実験によって精密に測定されるとともに、理論モデルによっても検証されてきた。しかし反クォークの運動量が大きい領域においてフレーバー対称性が保たれるかどうかは、実験的にも理論的にも不明であった。

研究成果

本研究グループは、アメリカ合衆国のフェルミ国立加速器研究所（FNAL）において日本・アメリカ合衆国・台湾の研究者の国際共同実験（実験名称 SeaQuest）を実施した。この実験では、FNALの高エネルギー・大強度の陽子ビームを液体水素と液体重水素（重陽子^[用語7]）の標的に照射し、標的中の陽子と中性子で起こるドレル・ヤン反応^[用語8]を測定した。その計数の比から、反アップクォークと反ダウンクォークの存在量の比（=d /u ）を抽出した。このd /u が 1 ならば反アップクォークと反ダウンクォークの存在量がフレーバー対称であることを意味する。

このSeaQuest実験では、反クォークの運動量の大きい領域までd /u を測定した。その結果、運動量が大きい領域では反ダウンクォークが反アップクォークより50%も多く存在しており、全測定領域において反クォークのフレーバー対称性が大きく破れていることがわかった。これは、陽子の中に、フレーバー対称性を大きく破るこれまでに明らかになっていない何らかの仕組みがあることの証拠である。

今後の展開

反クォークの運動量が大きい領域での反アップクォークと反ダウンクォークの存在量の比（d /u） は、これまで実験的にも理論的にも理解されていなかったが、本実験によって、幅広い運動量の領域におけるフレーバー対称性の破れが明らかとなった。理論的なモデルとしては、中間子雲モデル^[用語9]などが提唱されており、今回の成果によって、今後これらの理論モデルの定量的な検証が進むと期待される。

一方で、いくつかの理論モデルの予測では、運動量の大きい領域でフレーバー対称性の破れが小さくなっており、本実験結果を説明するには何らかの変更が必要であろう。陽子のパートン構造は実験、理論の両面において国内外で活発に研究されており、今後の研究では、それらを総合することで陽子の質量・半径・スピンなどの基本的性質が創発する仕組みを解明していく予定である。

論文情報

掲載誌 :	Nature
論文タイトル :	The asymmetry of antimatter in the proton
著者 :	The SeaQuest Collaboration J. Dove, B. Kerns, R. E. McClellan, S. Miyasaka, D. H. Morton, K. Nagai, S. Prasad, F. Sanftl, M. B. C. Scott, A. S. Tadepalli, C. A. Aidala, J. Arrington, C. Ayuso, C. L. Barker, C. N. Brown, W. C. Chang, A. Chen, D. C. Christian, B. P. Dannowitz, M. Daugherity, M. Diefenthaler, L. El Fassi, D. F. Geesaman, R. Gilman, Y. Goto, L. Guo, R. Guo, T. J. Hague, R. J. Holt, D. Isenhower, E. R. Kinney, N. Kitts, A. Klein, D. W. Kleinjan, Y. Kudo, C. Leung, P.-J. Lin, K. Liu, M. X. Liu, W. Lorenzon, N. C. R. Makins, M. Mesquita de Medeiros, P. L. McGaughey, Y. Miyachi, I. Mooney, K. Nakahara, K. Nakano, S. Nara, J.-C. Peng, A. J. Puckett, B. J. Ramson, P. E. Reimer, J. G. Rubin, S. Sawada, T. Sawada, T.-A. Shibata, D. Su, M. Teo, B. G. Tice, R. S. Towell, S. Uemura, S. Watson, S. G. Wang, A. B. Wickes, J. Wu, Z. Xi & Z. Ye
DOI :	10.1038/s41586-021-03282-z

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