陽子 (原子の中心にある正に帯電した物質粒子) が一部反物質であることは、しばしば言及されません。
学校では、陽子はクォークと呼ばれる 3 つの素粒子の束であると学びます。2 つの「アップ」クォークと「ダウン」クォークであり、その電荷 (それぞれ +2/3 と -1/3) が組み合わさって陽子になります。 +1の電荷。しかし、その単純化された図は、はるかに奇妙で、まだ解決されていない物語を覆い隠しています.
実際には、陽子の内部は、変動する数の 6 種類のクォーク、反対の電荷を帯びた反物質の対応物 (反クォーク)、および他のものを結合する「グルオン」粒子で渦巻いており、それらに変形して容易に増殖します。どういうわけか、荒れ狂う大渦は完全に安定し、表面的には単純になります。ある点で、3 つのクォークを模倣しています。イリノイ州にあるアルゴンヌ国立研究所の核物理学者であるドナルド・ギーサマンは、「すべてがうまくいくことは、率直に言って奇跡のようなものです」と述べています。
30 年前、研究者たちはこの「陽子の海」の驚くべき特徴を発見しました。理論家たちは、そこにさまざまな種類の反物質が均等に分散していると予想していました。代わりに、ダウン反クォークがアップ反クォークを大幅に上回っているように見えました。それから 10 年後、別のグループが、反クォークのダウンからアップへの比率の不可解な変動のヒントを発見しました。しかし、結果はまさに実験の感度の限界でした。
そこで、20 年前、ギーサマンと同僚のポール ライマーは調査のための新しい実験に着手しました。 SeaQuest と呼ばれるその実験はついに終了し、研究者は本日、ジャーナル Nature でその発見を報告しています。 彼らは陽子の内部反物質をこれまで以上に詳細に測定し、アップ反クォークごとに平均で 1.4 個のダウン反クォークがあることを発見しました。
データはすぐに、陽子の海の 2 つの理論モデルを支持します。 「これは、発表されたこれらのモデルを裏付ける最初の実際の証拠です」と Reimer 氏は述べています。
1 つは「パイ中間子雲」モデルです。これは、中間子として知られる粒子のグループに属するパイ中間子と呼ばれる粒子を放出および再吸収する陽子の傾向を強調する、数十年前から人気のあるアプローチです。もう 1 つのモデル、いわゆる統計モデルは、陽子をガスで満たされた容器のように扱います。
計画された将来の実験は、研究者が 2 つの写真のどちらかを選択するのに役立ちます。しかし、どちらのモデルが正しいとしても、陽子の内部反物質に関する SeaQuest のハード データは、特にヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器で陽子をほぼ光速で衝突させる物理学者にとって、すぐに役立つでしょう。衝突するオブジェクトの内容を正確に把握できれば、衝突の残骸をうまく切り抜けて、新しい粒子や効果の証拠を探すことができます。 LHC データの分析を支援している VU University Amsterdam の Juan Rojo 氏は、SeaQuest 測定は新しい物理学の探索に「大きな影響を与える可能性がある」と述べています。新しい物理学は、現在「陽子構造、特にその反物質に関する知識によって制限されています」 .」
スリーズカンパニー
約半世紀前の短い期間、物理学者は陽子を選別したと考えていました。
1964 年、マレー ゲルマンとジョージ ツヴァイクは、クォーク モデルとして知られるようになったものを独自に提案しました。これは、陽子、中性子、および関連するより希少な粒子が 3 つのクォークの束であり (ゲルマンがそれらを吹き替えたように)、パイ中間子と他のメソンは1 つのクォークと 1 つの反クォークでできています。このスキームは、高エネルギー粒子加速器から飛散する粒子の不協和音を理解するものでした。電荷のスペクトルはすべて、2 つまたは 3 つの部分の組み合わせから構成できるからです。その後、1970 年頃、スタンフォード大学の SLAC 加速器の研究者たちは、高速電子を陽子に向けて発射し、電子が内部の物体に跳ね返ることを確認したときに、意気揚々とクォーク モデルを確認したようです。
しかし、写真はすぐに暗くなりました。フェルミ国立加速器研究所の SeaQuest チームの 80 歳のメンバーであるチャック ブラウンは、次のように述べています。 1970年代からクォークの実験に取り組んできた.
3つのクォークの運動量を精査すると、それらの質量は陽子の総質量のわずかな割合を占めていることが示されました.さらに、SLAC がより高速な電子を陽子に向けて発射したとき、研究者は電子が内部のより多くのものから飛び出すのを見ました。電子が速くなればなるほど波長が短くなり、あたかも顕微鏡の解像度を上げたかのように、陽子のより細かい特徴に敏感になります。内部粒子がますます明らかになり、一見際限がありませんでした。 「私たちが知っている」最高の解像度はありません、と Geesaman は言いました。
物理学者がクォークモデルが近似するだけであるという真の理論、つまり量子色力学、またはQCDを解決するにつれて、結果はより意味のあるものになり始めました. 1973 年に定式化された QCD は、グルオンと呼ばれる粒子がクォークの束をつなぐ「強い力」、つまり自然の最強の力を表しています。
QCD は、散乱実験が観測した大混乱を予測します。グルーオンは自分が持っている力そのものを感じているため、複雑な問題が発生します。 (この点で、より単純な電磁気力を運ぶ光子とは異なります。) この自己処理により、陽子の内部に泥沼が作成され、グルーオンが発生、増殖、分裂して短寿命のクォークと反クォークのペアになる自由な手綱が与えられます。遠くから見ると、これらの狭い間隔で反対の電荷を帯びたクォークと反クォークは相殺され、気付かれません。 (陽子の全体的な電荷に寄与するのは、3 つのアンバランスな「原子価」クォーク (2 つのアップと 1 つのダウン) だけです。) しかし、物理学者は、より速い電子を撃ち込むと、小さなターゲットに衝突することに気付きました。
それでも奇妙なことは続きました.
自己処理型グルオンは QCD 方程式を一般に解けないものにするため、物理学者は理論の正確な予測を計算できませんでした (今でもできません)。しかし、彼らは、グルオンが他のクォークと反クォークのペアの 1 つのタイプ (ダウンタイプ) に分割される頻度が高いと考える理由はありませんでした。シアトル大学の核理論学者であるメアリー・アルバーグは、当時の理由を説明して、「両方とも同じ量が生産されると予想していました.
したがって、1991 年にジュネーブで開催された新ミュオン共同研究が、陽子と重陽子 (1 つの陽子と 1 つの中性子で構成される) から電子のより重い兄弟であるミューオンを散乱させ、結果を比較し、アップよりもダウンの反クォークが多いと推測したときの衝撃は、このためです。反クォークが陽子の海に飛び散っているように見えた.
陽子パーツ
理論家たちはすぐに、陽子の非対称性を説明する可能性のある多くの方法を見つけました。
1つはパイオンを含みます。 1940 年代以来、物理学者は陽子と中性子が原子核内でパイ中間子を行き来する様子を、チームメイトがお互いにバスケットボールを投げ合うように見てきました。研究者は、陽子について熟考する中で、バスケットボールを自分自身に投げることもできることに気付きました。つまり、正に帯電したパイ中間子を一時的に放出して再吸収し、その間に中性子に変わることができます。 「実験を行っていて、陽子を見ていると思うなら、それは自分をだましていることになります。なぜなら、その陽子が変動してこの中性子-パイ中間子のペアになる場合があるからです」と Alberg 氏は述べています。
具体的には、陽子は中性子と、1 つのアップ クォークと 1 つのダウン 反クォークで構成されるパイ中間子に変化します。この幻想的なパイ中間子には下向きの反クォークがあるため (上向きの反クォークを含むパイ中間子は容易には実現できない)、アルバーグ、ジェラルド ミラー、トニー トーマスなどの理論家は、パイ中間子の雲の考えが陽子の測定された下向きの反クォーク余剰を説明すると主張した.
他にもいくつかの議論が浮上しました。 Claude Bourrely とフランスの共同研究者は、陽子の内部粒子をあたかも室内の気体分子であるかのように扱い、角運動量が整数か半整数かによって異なる速度分布で動き回る統計モデルを開発しました。 .多数の散乱実験からのデータに適合するように調整すると、モデルはダウン反クォーク過剰を予測しました。
モデルは同一の予測を行いませんでした。陽子の総質量の多くは、陽子の海に出入りする個々の粒子のエネルギーに由来し、これらの粒子はさまざまなエネルギーを運びます。モデルは、より多くのエネルギーを運ぶ反クォークを数えるにつれて、ダウンとアップの反クォークの比率がどのように変化するかについて、異なる予測を行いました。物理学者は、反クォークの運動量分率と呼ばれる関連量を測定します。
1999 年に Fermilab での "NuSea" 実験が反クォークの運動量の関数として下から上への比率を測定したとき、彼らの答えは "ただ皆を明るくした" と Alberg は思い起こす。データは、十分な運動量を持つ反クォークの間で (実際には、それらが装置の検出範囲の端にあったほど)、上向きの反クォークが下向きの反クォークよりも突然普及するようになったことを示唆していました。 「すべての理論家は『ちょっと待って』と言っていました」とアルバーグは言いました。 「なぜ、これらの反クォークが勢いの大きな部分を占めるようになったときに、この曲線が反転し始める必要があるのでしょうか?」
理論家たちが頭を悩ませている中、NuSea に取り組んでいて、エッジのデータが信頼できない場合があることを知っていた Geesaman と Reimer は、より大きな反クォークの運動量範囲を快適に探索できる実験の構築に着手しました。彼らはそれを SeaQuest と呼んでいました。
生成されたジャンク
陽子についての質問は長かったが、現金が不足していたため、彼らは使用済み部品から実験を組み立て始めました。 「私たちのモットーは、削減、再利用、リサイクルでした」と Reimer 氏は言います。
彼らは、ハンブルグの研究所からいくつかの古いシンチレータ、ロスアラモス国立研究所から残った粒子検出器、および 1950 年代にコロンビア大学のサイクロトロンで最初に使用された放射線遮断鉄板を入手しました。 NuSea の部屋サイズの磁石を再利用し、フェルミ研究所の既存の陽子加速器を使って新しい実験を行うことができます。フランケンシュタインの集合体には魅力がなかったわけではありません。陽子が彼らの装置に流れ込んでいたことを示すビープ音は、50 年前のものであると、すべての破片を見つけるのを手伝ったブラウンは言いました。 「ビープ音が鳴ると、お腹が温かくなります。」
徐々に彼らはそれを機能させました。実験では、陽子は 2 つのターゲットを攻撃します:本質的に陽子である水素のバイアルと、核内に 1 つの陽子と 1 つの中性子を持つ原子である重水素のバイアルです。
陽子がいずれかのターゲットに衝突すると、その原子価クォークの 1 つが、ターゲットの陽子または中性子の反クォークの 1 つと一緒に消滅することがあります。 「消滅が起こると、それには固有の特徴があります」とライマーは言い、ミューオンとアンチミューオンを生み出しました。これらの粒子は、衝突で生成された他の「がらくた」とともに、古い鉄板に遭遇します。 「ミューオンは通り抜けることができます。他のすべてが停止します」と彼は言いました。反対側のミューオンを検出し、元のパスと速度を再構築することで、「逆方向に作業して、反クォークが運ぶ運動量の割合を計算できます。」
陽子と中性子は互いにミラーリングするため (それぞれが他のダウンタイプの粒子の代わりにアップタイプの粒子を持ち、その逆も同様です)、2 つのバイアルからのデータを比較すると、陽子内のダウン反クォークとアップ反クォークの比率が直接示されます。 、つまり、20 年間の作業の後です。
2019 年、Alberg と Miller は、パイ中間子雲の考えに基づいて、SeaQuest が何を観測すべきかを計算しました。彼らの予測は、新しい SeaQuest データとよく一致しています。
新しいデータは、突然の逆転ではなく、徐々に上昇し、その後横ばいになっていることを示しており、Bourrely と会社のより柔軟な統計モデルとも一致しています。しかしミラーは、この競合モデルを「予測ではなく記述的」と呼んでいます。これは、ダウン反クォーク過剰の背後にある物理的メカニズムを特定するのではなく、データに適合するように調整されているためです。対照的に、「私たちの計算で私が本当に誇りに思っていることは、それが本当の予測だったということです」とアルバーグは言いました. 「パラメータをダイヤルしませんでした。」
Bourrely は電子メールで、「統計モデルは、Alberg と Miller のモデルよりも強力である」と主張しました。これは、粒子が分極している場合とされていない場合の散乱実験を説明しているためです。ミラーは激しく反対し、パイ中間子雲は陽子の反物質含有量だけでなく、さまざまな粒子の磁気モーメント、電荷分布、崩壊時間、さらには「すべての原子核の結合、したがって存在」を説明していることに注目しました。彼は、パイ中間子機構は「なぜ原子核が存在するのか、なぜ我々は存在するのかという広い意味で重要である」と付け加えた.
陽子を理解するための究極の探求において、決定的な要因はそのスピン、または固有の角運動量かもしれません。 1980 年代後半のミューオン散乱実験では、陽子の 3 つの価電子クォークのスピンが、陽子の全スピンの 30% 以下を占めるにすぎないことが示されました。 「プロトン スピン クライシス」とは:残りの 70% は何が原因なのか?繰り返しになりますが、フェルミラボのベテランである Brown 氏は、「何か他のことが起こっているに違いない」と述べています。
フェルミ研究所、そして最終的にはブルックヘブン国立研究所が計画している電子イオン コライダーで、実験者は陽子の海のスピンを調べます。すでに Alberg と Miller は、陽子を取り囲む完全な「中間子雲」の計算に取り組んでいます。これには、パイ中間子とともに、より希少な「ロー中間子」が含まれます。パイ中間子にはスピンがありませんが、ロー中間子にはスピンがあります。そのため、Alberg と Miller が決定したいと考えている方法で、陽子の全体的なスピンに寄与する必要があります。
フェルミラボの SpinQuest 実験は、SeaQuest と同じ人員と部品の多くが関与しており、「ほぼ準備が整っている」と Brown 氏は述べています。 「運が良ければ、この春にデータを取得できます。それは、少なくとも部分的には、ウイルスに対するワクチンの進歩にかかっています。核の奥深くで曖昧な問題が、COVID ウイルスに対するこの国の対応にかかっているというのは、ちょっとおかしな話です。私たちは皆相互につながっていますよね？」
