オブジェクトは原子でできており、原子も同様に、電子、陽子、中性子の各部分の合計です。しかし、それらの陽子または中性子の 1 つに飛び込むと、事態は奇妙になります。クォークと呼ばれる 3 つの粒子がほぼ光の速度で前後に跳ね返り、グルーオンと呼ばれる相互接続された一連の粒子によって跳ね返されます。奇妙なことに、陽子の質量は、伸縮性のあるグルオン弦のエネルギーから何らかの形で発生しているに違いありません。なぜなら、クォークの重さは非常に小さく、グルオンにはまったく何もないからです.
物理学者は 1960 年代にこの奇妙なクォーク グルーオン図を発見し、70 年代にそれを方程式と照合して、量子色力学 (QCD) の理論を作成しました。問題は、理論は正確に見えますが、数学的には非常に複雑なことです。 3 つのかすかなクォークが巨大な陽子を生成する方法を計算するようなタスクに直面すると、QCD は単に意味のある答えを生成できません。
英国のマンチェスター大学に拠点を置く素粒子物理学者のマーク・ランカスターは、「それは興味をそそり、イライラさせられます」と語った。 「クォークとグルオンが相互作用することは絶対にわかっていますが、計算することはできません」結果.
陽子のような巨大な物体がどのように形成されるかを示すために QCD で使用されるタイプの方程式を解くことができる人には、100 万ドルの数学賞が待っています。そのような解決策がないため、素粒子物理学者は、おおよその答えを提供する骨の折れる回避策を開発しました。粒子コライダーで実験的にクォークの活動を推測する人もいれば、世界で最も強力なスーパーコンピューターを利用する人もいます。しかし、これらの近似手法は最近衝突しており、物理学者は自分たちの理論が予測するものを正確に把握できず、新しい予測されていない粒子や効果の兆候を解釈することができなくなっています.
何がクォークとグルオンを数学的に中傷するのかを理解するには、行儀の良い粒子を記述するために、数学的な機械がどれだけ使われるかを考えてみてください。
たとえば、小さな電子は、光子を短時間放出してから吸収することができます。その光子の短い寿命の間に、物質と反物質の粒子のペアに分裂し、それぞれがさらなるアクロバットを無限に行うことができます。個々のイベントが迅速に終了する限り、量子力学により、一連の「仮想」アクティビティを組み合わせて無期限に継続できます。
1940 年代、かなりの苦労の末、物理学者はこの奇妙な自然の特徴に対応できる数学的規則を開発しました。電子を研究するには、その仮想的な側近を一連の可能なイベントに分解する必要があり、それぞれがファインマン ダイアグラムとして知られる波線の描画と対応する方程式に対応しています。電子を完全に分析するには、無限の一連の図と、無限に多くのステップを伴う計算が必要になりますが、物理学者にとって幸いなことに、まれなイベントの複雑なスケッチは、比較的重要ではなくなりました。シリーズを切り捨てれば、十分な答えが得られます。
1960 年代のクォークの発見は、すべてを壊しました。陽子に電子を衝突させることで、研究者は新しい力によって結合された陽子の内部部分を明らかにしました。物理学者は、これらの新しいビルディング ブロックを処理できる記述を見つけるために競争し、1973 年にクォークとそれらを結び付ける「強い力」のすべての詳細をコンパクトな方程式にまとめることができました。しかし、彼らの強い力の理論、量子色力学は、通常の方法で動作しませんでした。また、粒子も動作しませんでした.
ファインマン ダイアグラムでは、ビリヤード ボールのように粒子が遠くから互いに接近して相互作用するかのように粒子を扱います。しかし、クォークはこのようには振る舞いません。カリフォルニア大学リバーサイド校の素粒子物理学者 Flip Tanedo によると、3 つのクォークが遠くから集まり、互いに結合して陽子を形成する様子を表すファインマン ダイアグラムは、単なる「漫画」にすぎません。それらは別個の存在ではありません。それらの結合の強さは、ファインマン ダイアグラムに対応する項の無限系列が、簡単な近似を可能にするほど急速に消え去るのではなく、手に負えない形で成長することも意味します。ファインマン図は単に間違ったツールです。
強い力は、主に 2 つの理由から奇妙です。まず、電磁力には 1 種類の電荷 (電荷) しか含まれていませんが、強い力には 3 つの「色」電荷 (赤、緑、青と呼ばれる) が含まれます。さらに奇妙なことに、グルオンと呼ばれる強力な力の運搬人は、それ自体が色の電荷を持っています.そのため、電磁界を構成する (電気的に中性の) 光子は互いに相互作用しませんが、カラフルなグルオンの集まりが引き寄せられて糸になります。 「それが実際に私たちが目にする違いを引き起こしています」とランカスターは言いました.グルオンがつまずく能力と 3 つの電荷が相まって、強力な力を生み出します。クォークが互いの会社から逃れることができないほど強力です。
グルーオンが存在し、特定の状況で予測どおりに動作するという証拠は、何十年にもわたって蓄積されてきました。しかし、ほとんどの計算では、QCD 方程式は扱いにくいことがわかっています。ただし、物理学者は、QCD が何を予測するかを知る必要があります。クォークとグルオンを理解するだけでなく、他の粒子の特性も特定する必要があります。それらはすべて、仮想クォークを含む量子活動のダンスの影響を受けるためです。
1 つのアプローチは、実験でクォークがどのように振る舞うかを観察することによって、計り知れない値を推測することでした。フェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学者である Chris Polly 氏は、「電子と陽電子を取り、それらを一緒に叩きつけて、最終状態でどのくらいの頻度でクォーク [生成物] を作るかを尋ねます」と述べています。これらの測定値から、すべての粒子を取り囲む仮想活動のハブブブでクォーク束が出現する頻度を推定できると彼は言いました。
他の研究者は、スーパーコンピューターを使用して近似解を計算することにより、正規の QCD 方程式から情報を引き出す試みを続けています。 Brookhaven National Laboratory の素粒子物理学者である Aaron Meyer は、次のように述べています。
格子 QCD として知られるこの計算アプローチは、コンピューターを、デジタル クォークとグルオンの挙動をモデル化する実験室に変えます。この手法は、時空間を点のグリッドにスライスする方法からその名前が付けられています。クォークは格子点に位置し、QCD 方程式によって相互作用が可能になります。グリッドが密であるほど、シミュレーションはより正確になります。フェルミ研究所の物理学者であるアンドレアス・クロンフェルドは、30 年前、これらのシミュレーションでは片側にほんの一握りの格子点しかなかったということを覚えています。しかし、計算能力が向上し、格子 QCD は実験的に決定された値の数パーセント以内で陽子の質量を正常に予測できるようになりました。
Kronfeld は、USQCD のスポークスパーソンです。USQCD は、米国の格子 QCD グループの連合であり、スーパーコンピューターの大量の時間について交渉するために団結しています。彼は、オークリッジ国立研究所にある現在世界最速の Summit スーパーコンピューターに関する連邦の取り組みの主任研究員を務めています。 USQCD は、Summit の最大のプログラムの 1 つを実行しており、マシンの年間計算能力の約 4% を占めています。
理論家たちは、これらのデジタル実験室が、クォークが他の粒子に及ぼす影響を概算することにおいて、コライダー実験と競争できるようになるには、まだ 1 年か 2 年かかると考えていました。しかし 2 月、ヨーロッパの共同研究者は、新しいノイズ低減技術を使用して、ミューオンと呼ばれる粒子の磁気特性をその真の値の 1% 以内に収めると主張するプレプリントでコミュニティに衝撃を与えました。イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の高エネルギー理論家である Aida El-Khadra は次のように述べています。
しかし、ミューオン周辺の仮想クォーク活動に関するチームの予測は、電子-陽電子衝突からの推論と衝突しました。最近相反する結果の調査を共同執筆した Meyer は、格子 QCD の多くの技術的詳細は、ザラザラした格子から滑らかな空間に戻る方法など、まだ十分に理解されていないと述べています。多くの研究者が未発見の粒子の先駆者と見なしているミューオンについて QCD が何を予測するかを決定するための努力が進行中です。
一方、数学に関心のある研究者は、強力な力に取り組むための紙と鉛筆の戦略を見つけることに完全に絶望していません。そして、クレイ数学研究所が提供する、可能な限り軽いコレクションの質量の厳密な予測に対して100万ドルの報酬を獲得しています。クォークまたはグルオンの。
理論の世界におけるそのようなヘイル メリー パスの 1 つは、ホログラフィック原理と呼ばれるツールです。一般的な戦略は、クォークのホログラムを互いに分離できる抽象的な数学的空間に問題を変換し、ファインマン ダイアグラムによる分析を可能にすることです。
Tanedo 氏によると、単純な試みは有望に見えますが、苦労して獲得した格子 QCD の精度に近づくものはありません。今のところ、理論家は不完全なツールを改良し続け、基本的ではあるが不可分なクォークを飼いならすことができる新しい数学的機械を夢見ています.
「それは聖杯になるでしょう」とタネドは言います。 QCD は、「それが実際にどのように機能するかを理解することを私たちに懇願しているだけです。」
この記事は Wired.com に転載され、スペイン語版は Investigacionyciencia.es に転載されました .
