陽子内部のグルーオンの向きを精密測定 | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160108_4/



要旨

理化学研究所（理研）仁科加速器研究センター理研BNL研究センター実験研究グループの秋葉康之グループリーダー、後藤雄二理研BNL研究センター研究員、尹寅碩（ユン・インソク）国際プログラム・アソシエイトらが参画する国際共同研究グループは、米国ブルックヘブン国立研究所（BNL）の偏極陽子衝突型加速器「RHIC（リック）」[1]を使って、これまでで最高の衝突エネルギー510 GeV（ギガエレクトロンボルト、ギガ＝10億）で陽子内部のグルーオンの向きを精密測定することに成功しました。

陽子には内部構造があり、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子により構成されています。グルーオンはクォークを結びつける「のり」の役割をする素粒子です。
全ての粒子は地球の自転に似た「スピン」と呼ばれる「向き」を表す固有の性質を持っており、陽子の向きは“陽子内部のクォークの向きの合計で決まっている”と考えられていました。
しかし1980年代に、光を用いて陽子内部のクォークを調べたところ、その向きだけでは陽子の向きを説明できないことが分かり、「陽子の向き（スピン）の謎」として原子核物理学の大きな問題となりました。

この謎を解明するためには、陽子の内部にあり光とは直接反応しないグルーオンを調べることが必要でした。
これを実現したのが向きを揃えた陽子（偏極陽子）同士を高エネルギーで衝突させることができるRHICです。RHICでの偏極陽子加速は理研とBNLの国際協力により実現しました。
陽子同士を衝突させると陽子内部のグルーオンの衝突が起こり、中性π（パイ）中間子[2]が生成されるため、これを用いて内部のグルーオンを調べることができます。

理研の実験研究グループが参画するRHIC加速器のPHENIX実験[3]では、中性π（パイ）中間子の陽子の向きによる非対称度（アシンメトリ）[4]を測定しており、2003年～2009年には、陽子を200 GeVのエネルギーで衝突させる実験を行いました。
この結果から摂動QCD（Quantum Chromodynamics、量子色力学）[5]という理論により内部のグルーオンの向きを計算することができますが、このエネルギーでの衝突実験の測定だけでは、陽子内部の全てのエネルギーのグルーオンを測定したことにはなりません。
そのため、2012年～2013年にかけてRHICの最高衝突エネルギーである510 GeV、55％以上の陽子偏極度（陽子の向きが揃っている割合）による衝突実験を行いました。

衝突エネルギーを高くすると、逆に陽子内部のエネルギーの低いグルーオンに対する感度が高くなるため、今回の実験ではこれまでで最もエネルギーの低いグルーオンを測定したことになります。
510 GeVの実験データは、200 GeVでの測定よりも大きい正の非対称度を示しました。
これは、摂動QCD計算からも予測されたことで、低いグルーオンのエネルギー領域でも摂動QCDが有効な理論であり、グルーオンの向きの精密測定に利用できることを示しました。
これは、陽子の向きの謎の全容解明に向けた大きな一歩です。

本研究は、米国の科学雑誌『Physical Review D Rapid Communications』オンライン版（1月7日付け）に掲載されました。

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