ウェブリリース:B中間子崩壊の理論計算に新手法 ボトムクォークのレプトンを含む崩壊反応の理論計算が可能に


B中間子崩壊の理論計算に新手法 ボトムクォークのレプトンを含む崩壊反応の理論計算が可能に

2020年7月15日
高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所

発表概要

 KEK理論センターの橋本省二 教授らは、B中間子の崩壊反応のうち、レプトン(注1)を含む崩壊確率の総和を理論的に計算する手法を確立し、その研究成果がPhysical Review Letters 誌に2020年7月14日(米国東部時間)、掲載されました。

図1. B中間子中のボトムクォークが崩壊する様子。軽いクォークやグルーオンの雲をまとったボトムクォーク(図中b)は、チャームクォーク(図中c)とミューオン(図中μ)、ニュートリノ(図中ν)に崩壊します。この時、チャームクォークは周囲の軽いクォークも一緒に引き連れてD中間子一つだけを作ることもあれば、軽いクォークの雲の一部が取り残されてパイ中間子など別の粒子を余分に生成することもあります。/©KEK IPNS

KEKつくばキャンパスにあるSuperKEKB加速器を用いたBelle II実験では、電子と陽電子を衝突させてB中間子(注2)を大量に生成し、その崩壊過程(より軽い素粒子に変化する過程)を調べています。B中間子は、ボトムクォーク(注1)がその周囲に『強い相互作用』(注3)によって軽いクォークやグルーオンの雲をまとった構造をもっています。ボトムクォークが『弱い相互作用』(注3)によって一瞬の内にチャームクォークとミューオン、ニュートリノに崩壊したとき、チャームクォークは周りにフワフワと漂っていた軽いクォークも一緒に引き連れて別の中間子(D中間子)一つだけを作ることもあれば、軽いクォークの雲の一部が取り残されてパイ中間子など別の粒子を余分に生成することもあります。これらの崩壊の組み合わせは無数に存在するので、理論的に全てを計算するのは非常に困難です。そこで、一般的には周りの軽いクォークやグルーオンの雲のことはひとまず忘れて、ボトムクォークがチャームクォークに崩壊することのみを考えて計算されます。しかし、こうした扱いがどれくらいよい近似になっているのかは、正確にはわかっていませんでした。

橋本教授らのチームは、格子量子色力学(格子QCD)と呼ばれる『強い相互作用』の精密なシミュレーション計算を可能にする手法を用いることで、ボトムクォークの崩壊で出てくるクォークとグルーオンの雲のような効果も完全に取り入れた、全ての崩壊反応の可能性を計算する手法を確立しました。従来の格子QCD計算では、D中間子一つだけができる過程についての計算は可能でしたが、(レプトン生成が付随する)全ての崩壊反応の可能性を足すことが可能となったのは今回が初めてです。

この計算手法について橋本教授は「20年も前から、ボトムクォークが壊れて終わりという計算しかなかったので、実験の精度が上がると理論と辻褄が合わなくなる問題をどうにかできないか、越えられない壁をどう超えるかを考えてきました。この計算手法をまとめた論文はイタリア人の友人と一緒に書いたのですが、理論的にすっきりした計算手法がようやく見つかった時は嬉しかったです。従来の計算方法では、誤差の見積もり方に課題が残りつつもどのように検証すればいいかが分かりませんでしたが、今回の私達の方法で理論的基礎がはっきりした計算が可能となり、従来の計算方法が正しかったか検証できます。」とコメントしました。

本研究は、文部科学省ポスト「京」重点課題 9「宇宙の基本法則と進化の解明」(統括責任者:青木慎也)および計算基礎科学連携拠点(JICFuS)による支援を受けて行われました。

くわしくはKEK(高エネルギー加速器研究機構)のホームページをご覧ください。
https://www2.kek.jp/ipns/ja/post/2020/07/20200715/

掲載論文

論文誌名:
Phys. Rev. Lett. 125, 032001 – Published 14 July 2020
論文タイトル:
Inclusive Semileptonic Decays from Lattice QCD
著者:
Paolo Gambino and Shoji Hashimoto
DOI番号:
10.1103/PhysRevLett.125.032001

用語解説

注1. クォークとレプトン
素粒子は、物質を構成する粒子と力を伝播する粒子、そしてヒッグス粒子に分類できます。この内、物質を構成する粒子には3つの世代があり、クォークとレプトンのグループに分けられます。中でもボトムクォークは第3世代のクォークの一つで、物質を構成する素粒子の中でトップクォークに次いで重い素粒子です。クォークの分類については図2をご参照下さい。


図2. 素粒子の分類図。((C)KEK)

注2. 中間子
クォークと反クォーク(クォークの反粒子)が結合した粒子。中間子には様々な組み合わせがあり、B中間子は反ボトムクォークとアップまたはダウンクォークが結び付いたものです。この他に、例えばチャームクォークと反アップクォークまたは反ダウンクォークが結びついたD中間子や、アップ、ダウンクォークとそれらの反クォークで主に構成されるパイ中間子などがあります。

注3. 強い相互作用と弱い相互作用
この世界にはたらく力は重力、電磁気力、強い相互作用(強い力)、そして弱い相互作用(弱い力)の4種類に分類する事ができます。強い相互作用はクォーク同士を結び付けて陽子や中性子、さらには原子核を形成します。この時強い相互作用を媒介するのがグルーオンと呼ばれる素粒子です。
一方、弱い相互作用は原子核のベータ崩壊(電子を出す崩壊反応)や中性子、パイ中間子などの粒子を崩壊させる力です。この力はとても弱いので日常生活で感じることはできません。弱い相互作用を媒介するのはWボソン、Zボソンという素粒子です。

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