金の結婚指輪は摂氏約 1,000 度で溶け、約 2,800 度で気化しますが、これらの変化は問題の始まりにすぎません。温度を数兆度まで上昇させると、原子の奥深くにある粒子が新しい非原子構成にシフトし始めます。物理学者は、これらのエキゾチックな状態 (おそらくビッグバンの間に発生し、中性子星の衝突と強力な宇宙線の衝突で発生すると考えられています) をマッピングして、宇宙の最も強烈な瞬間にそれらが提供する洞察を得ようとしています.
現在、ドイツで行われた High Acceptance DiElectron Spectrometer (HADES) と呼ばれる実験により、その地図に新しいポイントが追加されました。
何十年もの間、実験者は強力なコライダーを使用して金やその他の原子を非常にきつく粉砕してきたため、クォークと呼ばれる陽子と中性子内の素粒子が新しい隣人を引っ張ったり、(他の場合には)完全に自由に飛んだりします。しかし、いわゆる「クォーク物質」のこれらの相は、ほとんどの粒子が透過できないため、研究者はその余波のみを研究してきました。しかし今回、衝突の火の玉自体から放出された粒子を検出することで、HADES の共同研究は、合体する中性子星の核を満たすと考えられている種類のクォーク物質をより直接的に垣間見ることができました。
「これは、私が知る限り、誰も触れたことのない領域のポイントです」とニューヨークの相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) の物理学者ジーン・ヴァン・ビューレンは述べた。クォークグルーオンプラズマ。 「それはとてもエキサイティングです。」
物理学者は、1970 年代以降、強い核力がどのようにクォークを陽子や中性子などの複合粒子 (それぞれがクォークのトリプレット) に結合するかを多かれ少なかれ理解してきました。しかし、量子色力学 (QCD) と呼ばれる強い力の理論は非常に複雑であるため、物質が高温や高密度でどのように振る舞うかを正確に予測することはできませんでした。理論家は、特定の状況で有効な多数の近似スキームを開発しましたが、不確実性が大きいため、それらを拡張することは困難です。 HADES のような実験は、理論によって残されたギャップを手動で埋めることを目的としています。
クォーク物質を調べる間接的な方法では、研究者は火の玉が冷えてそのエネルギーが粒子の寄せ集めに変化するまで待ちます。これを「フリーズアウト」と呼びます。次に、各粒子タイプの相対数から初期温度を推測します。しかし、フリーズアウト時に生成された粒子は、火の玉の起源について多くを語ることはできないため、HADES の共同研究では別の現象を利用しました。クォーク物質が形成されるとほぼ同時に、ロー メソンと呼ばれる寿命の短い複合粒子を作り始めます。クォークと反クォークで構成されています。ロー中間子はすぐにつかの間の「仮想」光子に変換され、それぞれが電子とその反物質の双子である陽電子に分裂します。これらの粒子は、物質の初期の瞬間に関する情報を HADES 検出器まで運びます。
HADES コラボレーションの 200 人のメンバーの 1 人である Tetyana Galatyuk 氏は、次のように述べています。
この実験は、今週 Nature Physics で報告されました 、中性子星衝突の内部に似た条件下でクォーク物質の温度を測定した最初のものであり、ほとんどの粒子は（反物質とは対照的に）物質です。 QCD 近似スキームは、反物質と物質がほぼ同量存在しない環境ではうまくいかないため、このゾーンは理論上の空白のままです。
死んだ星の超高密度コアである中性子星が渦巻いて衝突すると、時空の構造が揺さぶられ、キロノバと呼ばれる爆発が引き起こされます。同様の条件を作り出すために、研究チームはほぼ光速で移動する金の原子を金のターゲットに叩きつけ、何百もの陽子と中性子を非常に密集させたので、理論では何が起こるかを最終的に予測することはできませんでした。結果として生じた爆発は一瞬で終わり、電子-陽電子対が墜落現場周辺の検出器に積み重なった.
研究者がこれらのペアのエネルギーをプロットしたとき (ロー メソン以外の粒子に由来することが知られているペアを慎重に割り引いて)、エネルギーが指数関数的に下降する曲線を形成することを発見しました。電子と陽電子が特徴的なエネルギーまたは質量を持つ永続的なロー粒子から発生した場合、曲線に隆起があったでしょう。その滑らかな形は、物質がエキゾチックな形をとったことを紛れもなく示していました.
曲線の傾きは、火球の温度を太陽の中心の数十万倍にクロックし、チームは、その陽子と中性子が、ニューヨーク市を角砂糖に詰め込んだ効果に類似した密度に達すると計算しました。その密度では、陽子と中性子は基本的に重なる、とガラチュクは言った。それらは、クォークグルーオン プラズマ (最初のマイクロ秒で宇宙を満たしたと考えられているクォーク物質のフェーズ) で起こるように、自由なクォークに分裂することはありませんが、代わりに束になり始め、6 つまたは 9 つのクラスターのように振る舞います。トリプレットよりクォーク。
この温度と密度が物質のエキゾチックな状態に対応することを確認することにより、HADES の結果は、理論家が近似 QCD 計算を調整し、近似スキームを適用できる状況の範囲を広げるのに役立つはずです。 RHIC のような粒子加速器での衝突では、物質と反物質が同量生成されます。これは、研究者がこれらの条件を説明する QCD 予測を確認するために使用した事実です。しかし、陽子と中性子の数が対応する反物質の数を上回るほど、これらの計算の精度は低下します。陽子と中性子が豊富な火球を見ることで、HADES 実験は理論家にこれらの粒子が主に存在する場合に期待すべき物理学の種類を垣間見せます。
RHIC の Van Buren 氏は、新しい測定値は注目を集めるだけでなく、眉をひそめるだろうと語った。 「私の共同研究者が結果を見ることに非常に興味を持っていることは知っています」と彼は言いました。特に、ロー粒子に由来しない有害な電子-陽電子ペアを HADES チームが計算して除去する方法を精査する必要があると彼は述べました。
この結果が正しければ、中性子星の内部で形成される正確なクォーク物質フェーズの計算を理論家が調整するのに役立ちます。この中性子星は、HADES 火球よりも温度が低く、中性子の数がさらに多いのです。 Galatyuk は、中性子星の衝突からの重力波の将来の観測と、粒子コライダーからの追加の測定が、そのような理論の拡張と検証に役立つことを望んでいます。
