格子QCDとpNRQCDを組み合わせてP波クォーク対消滅率を初めて計算—普遍的な電場相関のモーメントを決定
研究の要点は、重いクォークと反クォークが作る「P波クォークニウム」と呼ばれる状態が光でない粒子群(ハドロン)へ崩壊する確率を、第一原理の量子色力学(QCD)から計算する新しい枠組みを示したことです。著者らは格子QCDと強結合版のポテンシャル非相対論的QCD(pNRQCD)を組み合わせ、理論に必要な非摂動的な情報を一つの普遍的な量にまとめて扱えることを示しました。これにより、既に観測されているチャーモニウム(χcJ(1P))の崩壊幅を再現し、測定されていないボトムニウム(χbJ(nP))の崩壊幅を予測しています。
P波クォークニウムとは、重いクォークと反クォークの間に角運動量が一つ入った状態(L=1)です。崩壊幅とは、その状態が単位時間あたりにどれだけの確率で他の粒子群に崩壊するかを表します。これらの「包含的ハドロン崩壊幅」をQCDだけで正確に求めるのは長年の難題でした。高エネルギーでは摂動論(厳密な計算手法)が使えますが、低エネルギー側の複雑な強い結合の効果を扱うのが困難でした。
著者らの鍵は、速度展開(重いクォーク同士の相対速度vを小さいパラメータとして展開する方法)の先頭項では、波動関数の原点での導関数の二乗以外の非摂動的な効果が「二点のクロム電場相関関数の一つの普遍的モーメント」に全て集約される、という事実です。クロム電場相関関数とは色電場(QCDにおける電場に相当)の時間的な相関を測る量です。著者らはこのモーメントを初めて格子QCDで数値計算し、計算の出力を一般に使われる正規化スキームであるMSバース(modified minimal subtraction、修正最小除去法)に合わせるためにグラディエントフローという技法を用いて整えました。なおここで行った格子計算は「クォンチド」近似で、場の揺らぎに伴う仮想クォーク(海クォーク)を含めていない点が特徴です。
得られた普遍モーメントに、短距離で計算できる摂動的な係数(ショートディスタンス係数)と波動関数の原点での導関数の二乗を掛け合わせることで、著者らは既存のχcJ(1P)の崩壊幅を再現しました。これにより手法の妥当性が示され、同じ手法でχbJ(nP)のまだ測定されていない崩壊幅を予測しています。論文はこの枠組みが、通常のハドロンだけでなくエキゾチックな状態の包含的崩壊や生成過程にも自然に拡張できることを指摘しています。
重要な留意点もあります。今回の結果は速度展開の先頭項に基づくため、高次の相対速度依存の効果は未処理です。また格子計算がクォンチド近似で行われているため、海クォークの影響が無視されています。MSバースへのマッチングやグラディエントフローの適用にも不確かさが残るため、最終的な数値予測の精度や系統的誤差を下げるには、完全な動的格子計算やより高次の補正の評価が今後必要です。それでも、非摂動的な情報を単一の普遍モーメントに集約して初めて数値的に決定した点は、包含的崩壊幅を第一原理に近い形で扱う上で大きな前進と言えます。