新しいハドロンの存在形態：エキゾチックな多クォーク状態
Keyword: エキゾチックハドロン
ハドロンの構造：クォーク模型から QCD へ

的には，軽い構成クォーク間に働く残留相互作用の形と大強い相互作用をする粒子のことをハドロンとよぶ．ハド

きな違いはない．基底状態や低い励起状態のハドロンの性

1.

ロンはスピンが半整数のバリオン（重粒子）とスピンが整質は，このような描像でよく理解されている．

数のメソン（中間子）に分類される．現在観測されているバリオンはおよそ 140 種類，メソンはおよそ 180 種類ある．

3.

エキゾチックハドロンとはおよそ半世紀前の 1964 年にゲルマンは次々に発見される

エキゾチックハドロンとは，クォーク・反クォーク構造ハドロンの構造を理解するためにフレーバー SU（3）3 重項を持つ中間子，3 クォーク構造を持つ重粒子および，核子表現に属するスピン 1/2 の粒子であるクォーク（q）とそのの多体系である原子核以外の構造を持つハドロンのことを反粒子である反クォーク（q̄）を導入し，バリオンとメソンいう．ここでいうクォークは構成クォークを意味する．具の配位はそれぞれ（qqq）および（qq̄）であるとした．

体的には，グルーオンだけを成分に持つグルーボール，

1）

その後，クォーク間の相互作用を記述する理論の研究がクォークとグルーオン成分を陽に含むハイブリッド状態，

進 め ら れ，カ ラ ー SU（3）ゲ ー ジ 理 論 で あ る 量 子 色 力 学

マルチクォーク状態のテトラクォーク状態（qq̄qq̄）とペン

2）（QCD）が強い相互作用を記述する理論として確立した．

タクォーク状態（qqqq̄q）等が考えられる．（qq̄qq̄）状態にハドロンのクォーク描像が確立してからすでに 50 年以関しては，グルーオン交換による相互作用でコンパクトに上経つが，（qqq）および（qq̄）以外の構造を持つハドロンまとまった状態をテトラクォーク状態，（qq̄）でカラーシンは殆ど発見されていなかった．最近になってチャームグレットの中間子をつくり，2 つの中間子が π 中間子交換クォークやボトムクォークを含む 4 クォーク（qq̄qq̄）状態力等の相互作用で弱く結合した状態をハドロニック分子状が多数発見され始めたので，その現状を解説する．

態とよんでいるが，どちらもエキゾチックハドロンである．
準粒子である構成クォークは，多数の uū ペア，dd̄ ペア

ハドロンの QCD による描像

2.

およびグルーオン成分を含んだ状態であると考えられ，ま摂動論的な領域では数 MeV の質量を持つ u，d クォーク

た，QCD においてはクォーク数は保存数ではないので，は，低エネルギーでは，カイラル対称性の自発的破れにとハドロンがエキゾチックな構造をしているかどうかを決定もなって，Mud 〜mρ/2〜mp/3〜350‒400 MeV の質量を持つすることは簡単ではない．

準粒子として振る舞い，この準粒子を構成クォークとよぶ．

同じような意味で，陽子は構成クォークの立場では，3ハドロンは構成クォークが残留相互作用によって結合したつの構成クォークが軌道角運動量 0 の状態でスピン 1/2 の状態と考えられる．残留相互作用としては，閉じ込め力，構成クォーク 3 個のスピンが 1/2 に合成されて，陽子のスカラークーロン力，スピン・スピン相互作用，軌道・スピ

ピン 1/2 となっていると考えられるが，場の演算子としてン相互作用等が考えられる．

陽子のスピンを考えるとクォークのスピンからの寄与は約

南部・ゴールドストンボゾンである π 中間子のチャンネ

5）
1/3 であることが測定されている．

ルには構成クォーク間に強い引力が働き，カイラル極限では質量が 0 のクォーク・反クォークの束縛状態となると考4.

エキゾチックな粒子 X（3872）の発見えられる．π 中間子が実際に持っている小さな質量は u，d2003 年に Belle 実験で X（3872）が B± → J/ψπ＋π−K± 崩壊

クォークがもともと持っている数 MeV の質量に起因する．

において J/ψπ＋π−の不変質量のピーク構造として発見され一方，重いクォークと重い反クォークの束縛系である6）
その後この状態は BABAR，CDF，D0，LHCb，BESIIIた．

クォーコニウムは QCD の非相対論的有効場理論である実験においても観測されている．LHCb により量子数も決NRQCD を用いて記述される．NRQCD に関しては学会誌定され J PC＝1＋＋である．X（3872）の J/ψπ＋π−崩壊モードはの 駒 氏 の 解 説 記 事 3）が わ か り や す い．ま た，重 い（反）X（3872）が J/ψρ の共鳴状態の成分を含むことを示し，ρ 中クォークを 1 つ含む中間子系に関しても有効場理論である

間子はアイソベクトル状態なので，cc̄ 成分だけでなく uū

で解析されている．これらの系では，有効場の理および dd̄ 成分も含まれていることが明白で，エキゾチッ

HQET4）

論で，詳細に相互作用の分類等が議論されているが，本質900©2015 日本物理学会

クハドロンであると考えられる．崩壊モードとしては J/ψω，
日本物理学会誌

Vol. 70, No. 12, 2015

表1
名前±Z（4430）
以降に発見された電荷またはアイソスピンを持ったチャーモニウムおよびボトモニウム様状態．
c

質量［MeV］

幅［MeV］

JP

反応

Z（4050）c＋Z（4250）c±Z（10610）b

4051±14＋20−414248＋44＋180−29−3582＋21＋47−17−22
177＋54＋316−39−61?

10607.2±2.0

18.4±2.4?
??
1＋0Z（10610）
b±Z（3900）c10609±4±43888.7±3.4

18.4（input）
35±7

1＋1＋B̄ → χc1（1P）K π
B̄0 → χc1（1P）K−π＋Υ（5S）→ π＋π− Υ（1, 2, 3S）
Υ（5S）→ π＋π−h（1,2P）b
Υ（5S）→ π0π0 Υ（2, 3S）
Y（4260）→ π＋π−J/ψχc1（1P）πχc1（1P）π＋Υ（1, 2, 3S）π±h（1,2P）π±bΥ（2, 3S）π0J/ψπ±??
??
1＋ψ（4160）→ π＋π−J/ψY（4260）→（DD̄*）±π∓
e＋e− → π＋π−hcY（4260）→（D*D̄*）±π∓
B̄0 → J/ψK−π＋J/ψπ±（DD̄*）±hc π±（D*D̄*）±＋±Z（4020）c±Z（4025）
c＋Z（4200）c4022.9±0.8±2.74026.3±2.6±3.7＋31＋17
4196−29−137.9±2.7±2.6
24.8±2.6±7.7370＋70＋70−70−132

D0D̄*0 も観測されており，J/ψω はアイソスカラー状態な

崩壊モード
− ＋0＋

J/ψπ＋

実験グループ（年）Belle（2008）
Belle（2008）
Belle（2012）
Belle（2013）
BESIII（2013）
Belle（2013）
CLEO-c（2013）
BESIII（2014）
BESIII（2013）
BESIII（2014）
Belle（2014）

ついては，他の実験グループによる確認が望まれる．

ので，X（3872）はアイソスピンが大きく混ざった状態と現在，各状態についての構造の検討が理論的に繰り広げ考えられ，とても珍しい状態である．観測された質量が（Z（10650））の質量はられている．観測された Z（10610）
bb3871.69±0.17 MeV と D D̄ の 閾 値 3729.68 MeV よ り 142

BB̄*（B*B̄*）の閾値の数 MeV 上であり，これらの状態はMeV も高いのに X（3872）状態の幅は 1.2 MeV 未満と非常BB̄*（B*B̄*）のハドロニック分子状態ではないかと議論されに細く，なぜこのように細い崩壊幅を持つのかも興味を持（Z（4025））の質量は DD̄*（D*D̄*）ている．同様に Z（3900）
cc00*0

たれている．また，X（3872）の質量は D D̄ の閾値 3871.8の閾値より約 10 MeV 上であり，これらの状態もハドロ

MeV よ り わ ず か 0.11 MeV 低 い だ け な の で，X（3872）はニック分子状態ではないかと議論されている．個々の状態

0*0

D D̄ のハドロニック分子状態ではないかという議論も盛を個別に理解するのではなく，すべての状態を統一的に理んにされている．最近の X（3872）の構造に関する理論的解することが重要である．そのためには，新たなエキゾな研究については論文 7, 8 やそこに引用されている論文をチックハドロンの発見，個々の状態の種々の崩壊モード，参照のこと．X（3872）の発見をきっかけとして，エキゾスピンやパリティ，生成率等の測定が待たれる．エキゾ

チックハドロン物理研究の時代に突入したと言ってもよい

チックハドロンの研究により QCD の理解がさらに深まるのではないかと思う．

ことが期待される．

05.

次々と発見される 4 クォーク状態
電荷は保存量なので，例えば＋e の電荷を持つチャーモニウム様状態はその最小のクォーク成分が cc̄ud̄ となり，明らかなエキゾチックハドロンである．電荷を持った＋が B̄0 → ψ（2S）K−π＋ 崩壊
チャーモニウム様状態 Z（4430）
cにおける ψ（2S）π＋ の不変質量のスペクトル観測で 2008 年に Belle 実験によって発見され，9） 2014 年に LHCb 実験で
10）
LHCb で 観 測 さ れ た 質 量 は 4475±7＋15
も 確 認 さ れ た．
−25MeV，幅は 172±13＋37−34 MeV である．
この後発見された電荷またはアイソスピンを持ったチャーモニウム及びボトモニウム様状態（qq̄qq̄）を，発見された順に表 1 にまとめた．一つの実験グループでのみでしか発見されていない状態も多いので，そのような状態に
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新しいハドロンの存在形態

参考文献
1）M. Gell-Mann: Phys. Lett. 8（1964）214.
2）H. Fritzsch, M. Gell-Mann and H. Leutwyler: Phys. Lett. 47B（1973）365.
3）駒 佳明，駒 美保：日本物理学会誌 67（2012）325.
4）N. Isgur and M. Wise: Phys. Lett. B 232（1989）113; ibid. B 237（1990）527.
5）柴田利明：日本物理学会誌 67（2012）738.
6）S. K. Choi, et al.（Belle Collaboration）: Phys. Rev. Lett. 91（2003）262001.
7）N. Brambilla, et al.: Eur. Phys. J. C 71（2011）1534.
8）M. Takizawa and S. Takeuchi: Prog. Theor. Exp. Phys.（2013）0903D01; S.
Takeuchi, K. Shimizu and M. Takizawa: ibid.（2014）123D01.
9）S. K. Choi, et al.（Belle Collaboration）: Phys. Rev. Lett. 100（2008）
1462001.
10）R. Aaij, et al.（LHCb Collaboration）: Phys. Rev. Lett. 112（2014）222002.

瀧澤誠〈昭和薬科大学〉（2015 年 7 月 22 日原稿受付）

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