Measurement of $e^{+} e^{-}\to p\bar{p}$ around $\psi(2S)$ with scan method

物質の核心部、陽子や中性子がさらに小さな粒子であるクォークから構成されている場所には、これらの微小な破片がどのように結びつき、あるいは離れていくかを支配する一連の規則が存在します。これらの規則は量子色力学と呼ばれる理論によって記述されており、宇宙で最も強力な「糊」である強い力の指示書としての役割を果たしています。この理論は特定の状況下では完璧に機能しますが、粒子がゆっくりと動いたり、複雑な相互作用を行ったりする場合、解くことが非常に困難になります。物理学者たちは、チャームクォークとその反物質の双子である反チャームクォークからなる、チャーモニウムと呼ばれる特定の粒子の家族に長年魅了されてきました。これらの粒子は精密に研究できるほど重い一方で、強い力の複雑で乱雑な規則がその振る舞いを支配するほど軽いのです。これらの粒子がどのように生成され、どのように他の粒子へと崩壊していくかを観察することで、科学者たちは強い力の隠れたメカニズムを解明し、それが磁石がくっつく仕組みや雷をもたらす力である電磁気力とどのように競合しているのかを知ろうとしています。

BESIIIコラボレーションによる最近の研究は、$\psi(2S)$として知られる一つのチャーモニウム粒子に新たな視点を加えました。この粒子は有名な$J/\psi$粒子のわずかに重いバージョンであり、不安定であるため、すぐに他の粒子へと崩壊します。研究者たちは、$\psi(2S)$が陽子と反陽子へと崩壊する際に何が起こるのかに特に注目しました。素粒子物理学の世界では、この崩壊は二つの異なる方法で同時に起こり得ます。すなわち、グルオンの交換を伴う強い力を通じるか、あるいは仮想光子を伴う電磁気力を通じるかです。これら両方のプロセスが同時に発生できるため、それらは互いに干渉し合います。それはまるで、池に落ちた二つの波紋が出会い、新しい模様を作り出す様子に似ています。この相互作用を理解するための鍵は、これら二つの力の相対的なタイミング、すなわち「位相」を測定することにあります。もしタイミングがずれていれば、力は互いに打ち消し合うかもしれませんし、もし一致していれば、結果を増幅させるかもしれません。このタイミングを決定することは、強い力と電磁気力が予測可能で普遍的な方法で振る舞うのか、それとも細部に驚きの要素が隠されているのかを理解する上で極めて重要です。

このパズルを解くために、チームは単一のデータのスナップショットに頼ることはしませんでした。代わりに、彼らは入念なスキャンを行い、$\psi(2S)$粒子の質量付近のわずかに異なる9つのエネルギーレベルでデータを収集しました。この手法により、粒子の存在を示すデータ上のピークである「共鳴」の正確な形状をマッピングすることができました。これらのエネルギーレベルを移動するにつれて、陽子と反陽子のペアの数がどのように変化するかを分析することで、研究者たちは強い力の寄与、電磁気力の寄与、そして共鳴なしでも発生する背景過程を分離することができました。彼らは、北京電子陽電子衝突機にある巨大な装置であるBESIII検出器を使用して、衝突を記録しました。この検出器は、荷電粒子の経路を追跡し、そのエネルギーを測定する巨大な高速カメラのように機能し、チームが陽子と反陽子が生成された特定のイベントを特定することを可能にします。

合計495逆ピコバンのデータを収集した後、チームは正しいイベントを見逃さないよう厳格な基準を適用しました。宇宙線やその他の背景ノイズを排除し、陽子と反陽子の挙動に一致する粒子のペアのみに焦点を絞りました。分析の結果、明確な信号が得られ、検出されたイベントの数は$\psi(2S)$共鳴の理論的予測に一致するパターンで増減しました。研究者たちは、データの形状を適合させるための洗練された数学モデルを使用し、基礎となる物理パラメータの値を抽出しました。その結果、強い力と電磁気力の振幅間の相対的な位相は、単純な理論が示唆するような0度や180度ではなく、約106度またはマイナス105度という値になることが分かりました。これら二つの解は、数学的な処理の二通りの方法を表していますが、どちらも同じ物理的実体を示しています。つまり、二つの力はタイミングにおいて、ほぼ垂直の関係にあるということです。

この位相の測定値を得て、チームは$\psi(2S)$が陽子と反陽子へと崩壊する確率、すなわち分岐比を計算しました。彼らは、どちらの数学的解を選択するかによって、$3.21 \times 10^{-4}$または$3.47 \times 10^{-4}$程度の確率であることを発見しました。これらの結果は以前の測定値よりもわずかに高いものの、誤差の範囲内では一貫しています。また、この研究は、衝突する粒子から見た陽子の内部構造を記述する量である、有効形式因子の新しい精密な測定値も提供しました。結果は滑らかな曲線を示し、他の実験からの以前の知見ともよく一致しており、$\psi(2S)$のエネルギー領域付近のデータの空白を埋めるものとなりました。

これらの知見の意義は、現在の理解の限界をテストできる点にあります。位相がゼロではないという事実は、強い力と電磁気力が完全に同期している、あるいは完全に逆位相であるという単純な考えが正しくないことを示唆しています。むしろ、データは、これらの力が異なる種類の粒子崩壊において普遍的な方法で相互作用するという、より複雑な図式を支持しています。この特定の角度の正確な理由については、理論物理学者が説明すべき謎として残されていますが、実験的な測定は将来の理論のための強固なアンカーを提供します。これらの力の間の中間作用が予測可能なパターンに従うことを確認することで、本研究は物質が基礎からどのように構築されているかを記述するモデルの精緻化に貢献しています。この成果は、エネルギーの風景を注意深くスキャンすることで、どのように亜原子の世界の微細で隠れたリズムを明らかにできるかを示す、精密測定の力の証なのです。