チャームドバリオン

Type of particle

チャームバリオンは、少なくとも1つのチャームクォークからなるすべてのバリオンを含む複合粒子のカテゴリです。^[1] 1970年代に初めて観測されて以来、^[2]多数の異なるチャームバリオン状態が特定されています。観測されたチャームバリオンの質量は 2300年と2700 MeV/ c ²。2002年、フェルミ国立加速器研究所を拠点とするSELEX共同研究チームは、二重チャームバリオン（Ξ⁺
_cc）は、2つのチャームクォークを含み、質量は約3520 MeV/ c ^{2 で}^あるが[3]、他の実験ではまだ確認されていない。^[4]しかし、LHCb共同研究チームは、二重チャームバリオン（Ξ⁺⁺
_cc）が2017年に発見された。^[5] 1つの三重チャームバリオン（Ω⁺⁺
_ccc）は予測されているが^[6]、まだ観測されていない。

命名法

チャーム重粒子の命名法は、クォーク含有量とアイソスピンの両方に基づいています。命名は、粒子データグループによって確立された規則に従っています。^[7]

1つのチャームクォークと2つのアップクォーク、1つのアップクォークと1つのダウンクォーク、または2つのダウンクォークから構成されるチャームバリオンは、チャームラムダ（Λ）として知られています。
_c、アイソスピン 0)、または魅力的なシグマ ( Σ
_c、アイソスピン1）。
1つのチャームクォークと1つのアップクォークまたはダウンクォークからなるアイソスピンのチャーム重粒子は、チャームXi（Ξ
_c）であり、すべてアイソスピンを持つ⁠1/2⁠。
チャームクォーク1個とアップクォークやダウンクォークを含まないチャーム重粒子はチャームオメガ（Ω）と呼ばれる。
_c）であり、すべてアイソスピン 0 を持ちます。
2つのチャームクォークと1つのアップクォークまたはダウンクォークから構成されるチャームバリオンは、ダブルチャームXi（Ξ
_cc）であり、すべてアイソスピンを持つ⁠1/2⁠）。
2つのチャームクォークから成り、アップクォークもダウンクォークも含まれないチャーム重粒子は、ダブルチャームオメガ（Ω）と呼ばれる。
_cc）であり、すべてアイソスピン 0 を持ちます。
3つのチャームクォークからなるチャーム重粒子は、トリプルチャームオメガ（Ω）と呼ばれる。
_ccc）、すべてアイソスピン 0 を持ちます。

電荷は上付き文字で示されます。重いクォーク（ボトムクォーク、チャームクォーク、トップクォーク）の含有量は下付き文字で示されます。例えば、Ξ⁺
_cbは1つのボトムクォークと1つのチャームクォークで構成されており、チャームクォークの電荷から推定できます（+ ⁠2/3⁠ e ) とボトムクォーク (− ⁠1/3⁠ e) もう一方のクォークはアップクォークでなければならない（+ ⁠2/3⁠ e).共鳴を示すためにアスタリスクやプライムが使用されることもあります。

プロパティ

研究対象となるチャーム重粒子の重要なパラメータは、4つの特性から成ります。第一に質量、第二に測定可能な寿命を持つ粒子の寿命、第三に固有幅（寿命が短すぎて測定できない粒子は、ハイゼンベルクの不確定性原理により、測定可能な「幅」、つまり質量の広がりを持つ）、そして最後に崩壊モードです。これらの測定値の集大成は、粒子データグループの出版物に掲載されています。

生産と検出

チャーム重粒子は、粒子加速器などによる高エネルギー粒子衝突で生成されます。チャーム重粒子を見つける一般的な方法は、崩壊生成物を検出し、それがどのような粒子であるかを特定し、その運動量を測定することです。すべての崩壊生成物が正しく発見され、測定されれば、親粒子の質量を計算できます。例えば、Λの好ましい崩壊は、⁺
_cは陽子、K中間子、パイ中間子に分解されます。これらの（比較的安定した）粒子の運動量は検出器によって測定され、正しい相対論的方程式を用いた通常の四元運動量則を用いて、親粒子の質量の尺度が得られます。

粒子衝突では、陽子、K中間子、パイ中間子はいずれも比較的頻繁に生成されますが、これらの組み合わせのうち、チャームド重粒子から生じたものはごくわずかです。したがって、このような組み合わせを多数測定することが重要です。計算された親粒子の質量をプロットすると、Λ粒子の質量にピークが現れるでしょう。⁺
_cしかし、これは滑らかな「位相空間」背景に加えて生じる。ピークの幅は、チャーム重粒子が適度に安定している（例えばΛ重粒子）ことを条件として、検出器の分解能によって決定される。⁺
_c寿命は約(2 ± 10) × 10 ⁻¹³ s ）。強い相互作用によって崩壊するチャーム重粒子の他の高次の状態は、典型的には大きな固有幅を持つ。そのため、ピークは背景の組み合わせに対して明確には現れない。この方法による粒子の最初の観測は非常に困難であることが知られている。統計的変動や誤った「ピーク」を生み出す効果を過度に解釈したために、発表された結果のいくつかは後に誤りであることが判明した。しかし、長年にわたるより多くの実験によってより多くのデータが収集された結果、チャーム重粒子状態の分光法は現在では成熟したレベルに達している。

チャームド・ラムダ+の歴史

最初に発見されたチャームド重粒子はΛ⁺
_cこの粒子が最初に観測された時期は完全には明らかではありません。1975年以降、この状態の証拠を発表した実験は数多くありましたが、報告された質量は現在知られている値よりも低いことがしばしばありました。それ以来、Λ⁺
_c多くの実験、特に固定標的実験（FOCUSやSELEXなど）やe⁻
e⁺
B ファクトリー ( ARGUS、CLEO、BABAR、BELLE )。

質量

決定的な質量測定はババル実験によって行われ、質量は2 286 .46 MeV/ c ²と、わずかな不確かさで表されます。これを文脈に当てはめると、陽子の2倍以上の重さになります。この過剰質量は、チャームクォークの質量が陽子の質量よりも大きいことで簡単に説明できます。

一生

Λの寿命⁺
_cはほぼ正確に0.2ピコ秒と測定されています。これは、利用可能な位相空間が広いことを考慮すると、弱い相互作用によって崩壊する粒子の典型的な寿命です。寿命測定には、FOCUS、SELEX、CLEOといった多くの実験が寄与しています。

崩壊

Λ⁺
_c弱崩壊の規則に従って、様々な終状態へと崩壊します。陽子、K中間子、パイ中間子（それぞれ荷電粒子）への崩壊は、特に検出が容易なため、実験者に好まれます。この崩壊は全崩壊の約5%を占め、約30種類の異なる崩壊モードが測定されています。これらの分岐比の研究は、理論家が崩壊に寄与する様々な基本図を解き明かすことを可能にし、弱い相互作用の物理学を理解するための窓口となります。

軌道励起

クォークモデルは量子力学と相まって、Λの軌道励起が存在するはずであると予測している。⁺
_c粒子。これらの状態の中で最も低いのは、2つの軽いクォーク（アップクォークとダウンクォーク）がスピン0の状態に結合し、軌道角運動量が1単位追加され、チャームクォークの固有スピンと結合して⁠1/2⁠、⁠3/2⁠粒子のペア。これらのうち高い方（Λ⁺
_c(2625)は1993年にARGUSによって発見されました。当初はどのような状態が発見されたのかは不明でしたが、その後CLEOによってより低い状態(2593)が発見されたことで状況が明確になりました。崩壊モード、質量、測定された幅、そして荷電パイ中間子1個と中性パイ中間子1個ではなく2個の荷電パイ中間子を経由する崩壊であることは、これらの状態の特定を裏付けています。

チャームドシグマクォーク含有量

上で述べたように、Λのようなチャームシグマ粒子は⁺
_c粒子は、チャームクォークと2つのライトアップクォーク、ライトダウンクォーク、ライトストレンジクォークで構成されています。しかし、Σ
_c粒子はアイソスピン1を持つ。これは、粒子が3つの荷電状態、すなわち2価、1価、そして中性で存在できるということと同義である。この状況は、ストレンジバリオンの命名法と直接類似している。基底状態（つまり、軌道角運動量を持たない状態）のバリオンも同様に描ける。各クォークはスピン1/2の粒子である。スピンは上向きにも下向きにもなる。Λでは⁺
_c基底状態では、2つの軽いクォークは上下を向き、スピン0のダイクォークを形成します。これがチャームクォークと結合してスピン1/2の粒子を形成します。Σ
_c2つの軽いクォークが結合してスピン1のダイクォークを形成し、これがチャームクォークと結合してスピン1/2粒子、またはスピン3/2粒子（通常はΣ^∗
_c）。量子力学の法則により、Λ
_c3つの異なるクォーク（つまり反クォーク）のみが存在するのに対し、Σ
_ccuu、cud、cdd として存在することができます (したがって、3 つの異なる電荷があります)。

すべてΣ
_c粒子は強い力によって崩壊する。典型的には、これは比較的安定したΛに崩壊する際にパイ中間子が放出されることを意味する。⁺
_cそのため、それらの質量は通常直接測定されず、それらの質量差、m( Σ
_c)−m( Λ⁺
_c）。これは、質量の絶対値よりも実験的に正確に測定しやすく、理論的に予測しやすいものです。

Σ
_c（2455）歴史と質量

最も質量の小さいΣ
_c強く崩壊する粒子は質量のおおよその値で知られるという慣例に基づき、粒子データグループによって「2455」という名前が付けられた。チャーム重粒子研究の初期から探索されてきた。泡箱における個々の事象は、実験によって粒子の証拠として何度も主張されてきたが、この種の事象が共鳴の証拠としてどのように用いられるのかは不明である。1979年には早くも、コロンビア＝ブルックヘブン共同実験によって、二価電子状態の妥当な証拠が得られていた。1987年から1989年にかけて、フェルミ国立加速器研究所のE-400実験、ARGUS実験、CLEO実験といった、はるかに大規模な統計を用いた一連の実験によって、二価電子状態と中性状態の両方の明確な証拠が得られた（ただし、E-400の中性状態は誤信号であることが判明した）。質量差m（Σ
_c) − m ( Λ⁺
_c）は168 MeV/ c ²。一価電子状態は検出が困難であったが、これは生成が難しいからではなく、中性パイ中間子を介した崩壊がバックグラウンドが高く、ほとんどの粒子検出器で検出する際に分解能が劣るためである。CLEOによる1993年まで、この状態は（単一の事象の報告を除いて）発見されなかった。

Σの固有幅
_cほとんどの強い崩壊の基準からすると小さいが、少なくとも中性および二価電子状態については、約CLEOおよび FOCUS 検出器による2 MeV/ c ^{2 。}

質量が次に大きい状態はスピンです。3/2⁠状態、通常はΣとして知られています^∗
_cまたはΣ
_c（2520）これらは、 Σと同様に、崩壊に伴う余分な位相空間のために明らかに「より広く」なる。
_c（2455）は1つのパイ中間子と基底状態のΛである。
_c繰り返しますが、大きな統計量では、 Λの大きな数を超える信号が求められるのです。
_c生成されるπ対。繰り返しになりますが、中性状態と二価電子状態は実験的に検出しやすく、これらは1997年にCLEO共同研究によって発見されました。一価電子状態は、より多くのデータが収集されるまで2001年まで待たなければなりませんでした。

Ξ
_c歴史と質量

標準的なクォーク模型では、Ξ⁺
_cCSUクォークの組み合わせとΞ⁰
_秒CSDクォーク結合からなる。どちらの粒子も弱い相互作用によって崩壊する。Ξの最初の観測は⁺
_c1983年にCERNのWA62共同研究グループによって発見されました。彼らは崩壊モードΛKに重要なピークを発見しました。⁻
π⁺
π⁺
大量の2460 ± 25 MeV/ c ²。この質量の値は6回の実験の平均から得られ、2 467 .9 ± 0.4 MeV/ c ² .

Ξ⁰
_秒1989年にCLEOによって発見され、Ξの崩壊モードのピークを測定した。⁻
π⁺
大量の2471 ± 5 MeV/ c ²。認められた値は2 471 .0 ± 0.4 MeV/ c ² .

チャームドオメガの歴史と質量

驚くことではないが、4つの弱崩壊する単一チャームの重粒子のうち、Ω
_c（CSSクォークの組み合わせ）は、最後に発見され、最もよく測定されていないものでした。その歴史は不明瞭です。1985年にCERNで観測された3つのイベントのクラスターが信号であったと主張する著者もいますが、これは現在では質量が正しくないため除外できます。ARGUS実験は1993年に小さなピークを信号の可能性として発表しましたが、多くの実験がARGUSと同じ環境でより多くの衝突で動作していたため、断面積の観点から現在では除外できます。フェルミ研究所のE-687実験は、1993年と1994年に2つの論文を発表しました。前者は、崩壊モードΩπで限界的な重要性の小さなピークと、崩壊モードΣでより大きな、明らかに堅牢な信号を示しました。⁺
K⁻
K⁻
π⁺
この後者の観測は粒子データグループによって有効とみなされているが、この崩壊モードが他の実験では観測されていないという点で、ますます奇妙に思えてくる。CLEO実験では、様々な崩壊モードの合計で40イベントのピークと質量が示された。2 494.6 MeV/ c ²。それ以来、BaBar実験とBelle実験という2つの実験が膨大なデータを取得し、CLEO値に非常に近い質量で非常に強い信号を示しました。しかし、どちらの実験も、不確かさを伴った質量を引用するために必要な研究を行っていません。したがって、この粒子が発見されたことは間違いありませんが、その質量の決定的な測定値は存在しません。

参考文献

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[5] アイジ、R.;アデバ、B.アディノルフィ、M.アジャルトゥーニ、Z.アカール、S.アルブレヒト、J.アレッシオ、F.アレクサンダー、M.アルフォンソ・アルベロ、A.アリ、S.アルハゾフ、G.アルバレス・カルテル、P.アウベス、AA;アマト、S.アメリオ、S. (2017-09-11)。「二重魅力バリオンΞcc++の観測」。物理的なレビューレター。119 (11) 112001.arXiv : 1707.01621。土井：10.1103/PhysRevLett.119.112001。ISSN 0031-9007。

[6] Savage, Martin J.; Springer, Roxanne P. (1991-04-20). 「非常に魅力的なバリオン」 . International Journal of Modern Physics A. 06 ( 10): 1701– 1712. Bibcode :1991IJMPA...6.1701S. doi :10.1142/S0217751X91000903. ISSN 0217-751X.

[7] 「Particle Data Group: Particle Listings」. Particle Data Group . 2024年12月6日閲覧。