大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、毎分何十億回も陽子を衝突させ、エネルギーの大渦を解き放ち、より多くの陽子、中性子、およびあまり知られていない核粒子のいとこに結晶化します。一部のパーティクルは、シーンから逃げるときに互いに遭遇します。次に何が起こるか — 特定のペアが引き寄せられるか、引き離されるか — 物理学者は一般的に言うことができません.
理論家たちは、50 年以上前に陽子と中性子内の粒子がどのように作用するかを解明しました。しかし、クォークとして知られるこれらの粒子が単独で現れることは決してなく、苦労して獲得したそれらの力 (強い力) の理論は、実際に私たちの体を構成し、粒子コライダーに現れるオブジェクトであるクォークのグループの動作を予測できません。
ミュンヘン工科大学の物理学者であるローラ ファビエッティは、「これは、必要に応じて、核物理学のフロンティアであり、[これらの] 相互作用を第一原理から理解しています」と述べています。
何十年にもわたる作業の後、「ハドロン」（複数のクォークでできた粒子）をスパイする強力な方法がついに成熟に達しました。スーパーコンピューターは、特定のデジタル ハドロン間の力を計算できるようになりました。また、LHC の研究者は、フェムトスコピーと呼ばれる新しい方法を開発しています。この方法では、強い力によって引き起こされるつかの間のハドロン間の振戦を直接検出できます。この研究は、自然の最も不可解な力の新しい側面を明らかにしています。
フェムトスコピーの開発者の 1 人である Fabbietti 氏は、「突然、ハドロンの任意のペア間の強い相互作用を初めてテストできるようになりました」と述べています。
謎めいた核
エンリコ・フェルミやヴェルナー・ハイゼンベルグなどの分野のリーダーたちが、いくつかの奇妙な観察結果を調整するのに苦労した1930年代以来、原子の核は物理学者に挑戦してきました。一つは、核さえ存在したという事実でした。ヘリウム原子核の場合、2 つの陽子がフェムトメートル (1 メートルの 10 億分の 1 百万分の 1) の間隔で寄り添います。その距離では、2 つの正電荷が 20 ポンドの力で原子核を吹き飛ばすはずです。それでも、安定したヘリウム原子はたくさんあります。電磁気は原子を制御しますが、原子核は異なる規則に従っているようです.
比較的知られていない日本の物理学者、湯川秀樹は、1935 年に核のパズルの主要なピースにたどり着きました。
何らかの強力な力が核をまとめていたとしたら、それは奇妙なものでした。質量のない光子は電磁力を広範囲に運びますが、陽子と中性子がくっつくには密接な接触が必要です。湯川の主な洞察は、この短い範囲は、その移動性を制限する質量を持つ新しい力の粒子に起因するというものでした。彼は、それが電子の 200 倍の重さを持つべきだと計算しました。物理学者は、1947 年に宇宙線のパイ中間子または「パイ中間子」を発見しました。その質量は、湯川が予測したよりわずか 3 分の 1 でした。彼のノーベル賞は 2 年後に贈られました。
彼は「新しい粒子の存在を予測した最初の人物でした」と、核物理学者で日本の理化学研究所のプログラムディレクターである初田哲夫は述べた。 「それが素粒子物理学の誕生でした。」
パイオンは、新しい粒子の大洪水の最初のものであることが証明されました。この成長する動物園のパターンにより、理論家は、クォークには 6 つの種類があり、それらは常にグループで存在するほど強く結合していると結論付けました。今日、物理学者は 300 を超える固有のハドロンを知っています。
理論家たちは、1970 年代に、強い力がどのようにクォークを支配するかを解明しました。この理論は、量子色力学 (QCD) として知られています。しかし、残念なことに、すべての答えが得られるわけではありません。
QCD は、弾性バンドの張力のように、力を運ぶ「グルオン」の激流を、距離とともに成長する強さで交換するものとしてクォークを描写します。粒子コライダーのように粒子同士が衝突すると、クォーク同士が接近しすぎて弾性が緩みます。このような状況では、QCD がうまく機能します。しかし、通常の状況下では、弾性が伸びてかみ合い、QCD の数学が破綻します。この制限により、ハドロンの実世界での挙動は謎に包まれています。
「これは、素粒子物理学の標準モデルにおける唯一の [計り知れない] ピースです」と、首都大学東京の物理学者である兵藤哲夫氏は述べています。
ハドロン ハイ ジンクス
解決可能な理論がなくても、物理学者が粒子の謎めいた行動を解明するのに 2 つの技術がますます役立っています。
1つ目は、問題をスーパーコンピュータにアウトソーシングすることです。研究者は、次のようにデジタル実験室を設定します。空間をグリッドに分割し、時間を一連の個別の瞬間に分割します。それらは、グリッド線が交差する場所にクォークを貼り付け、それらの間のリンクにグルオンを貼り付けます.次に、滑らかな空間と時間では不可能な方法で、フレームごとに何が起こるかを計算します。
2007 年、初田の研究グループは、この「格子 QCD」アプローチを使用して、陽子または中性子のペアを、湯川風の点ではなく、より現実的なクォークとグルオンの雲としてシミュレートしました。彼らは、陽子または中性子が約 1 陽子幅離れている場合、実際にパイ中間子を交換するかのように引き合うことを確認しました。 「ある意味で、湯川はQCDに基づいて確認されています」と初田は言いました。グループはまた、湯川の理論を超えて、粒子がさらに近づくと引力が反発に変わることを証明しました.
最近、チームは、陽子または中性子 (より軽い「アップ」および「ダウン」クォークを含む) と、3 つのより重い「ストレンジ」クォークから作られた「オメガ」ハドロンとの間の仮想遭遇を作り上げています。彼らは 2019 年に、ハドロンのペアが近くと遠くで互いに引っ張り合っていることを発見しました。そして2020年には、「ラムダ」のペア（アップクォーク、ダウンクォーク、重いクォーク）が弱く引き合うことが共同研究で計算されました。これらの結果は、一瞬のうちに崩壊する傾向がある重いハドロンが互いにどのように影響するかについての最初のヒントのいくつかを表しています.
並行して、LHC の研究者は、実際のハドロンを追跡するために ALICE 実験を利用し始めました。陽子の衝突はハドロンのバーストを生成し、その多くは他の粒子に崩壊します。 ALICE の研究者は、この残骸を調べて、目的のハドロン対の兆候を見つけます。彼らは、同じ経路を一緒に移動したハドロン対と、異なる方向に移動したハドロン対を比較します。目標は、近くのハドロンがどのように互いに引き付け合ったり反発したりするかの兆候を明らかにすることです。この技術は、1 フェムトメーターほどの小さなハドロン収縮を検出できます。
「すばらしいのは、非常にまれで不安定なハドロンにこの技術を適用できることです」と、ALICE コラボレーションのフェムトスコープ グループを率いる Fabbietti 氏は述べています。 「通常、2 つの粒子が互いに会話し、その言葉を確認する機会は他にありません。」
このコラボレーションでは、Nature でフェムトスコピー法について詳しく説明しました 昨年 10 月、彼らは陽子とファイ中間子 (ストレンジ クォークとその反クォークで構成される) の間の相互作用である、ほとんど未知の相互作用の測定値を明らかにしました。実験者は通常、格子 QCD の理論データに基づいてデータを解釈しますが、ファイ中間子についてはほとんど研究が行われていないため、湯川の 1935 年の理論に戻る必要がありました。
「陽子ファイには何もありませんでした」と、データ分析を主導した大学院生のエマ・チザリは言いました。
互いに接近した陽子とファイ中間子は引き付けられるように見え、ALICE コラボレーションは約 100,000 の組み合わせから結論付けられました。しかし、その引力は、陽子と中性子の間の引力の 10 分の 1 に過ぎませんでした。
この実験は「非常にエキサイティングです」と初田氏は語った。彼のチームは現在、格子 QCD で結果をチェックしています。
LHC から中性子星まで
ストレンジ クォークを含むハドロンは LHC で急速に崩壊しますが、中性子星の長期居住者として存在する可能性があり、そこでは巨大な圧力が「ハイペロン」として知られるストレンジ 陽子バリアントを安定化させる可能性があります。これらのハイペロンはパイ中間子の代わりにファイ中間子を交換し、一部の理論家は死んだ星を硬くすることができると提案した.しかし、ALICE の結果は、奇妙な相互作用が微弱すぎて問題にならないことを示唆しています。
「中性子星の内部にハイペロンがある場合、それらの相互作用は完全に無視することができます」とファビエッティは言いました。
兵藤は、どの 2 クォーク粒子と 3 クォーク粒子がくっつくかについての包括的な知識が、別の謎を説明できることを期待しています。物理学者は何百ものクォーク デュオとトリオをカタログ化しましたが、テトラクォークとペンタクォークはほんの一握りです。
そのために、ALICE は 2016 年から 2018 年の間に発生した約 10 億件の衝突を選別してきました。しかし、この春から、LHC へのアップグレードにより、ALICE は 100 倍速くデータを取得できるようになります。今後 10 年間で、Fabbietti は、さらに重いクォークを含む、より希少なハドロンの混合を測定する予定です。
「私たちはこのパズルを組み立てています」と彼女は言いました。「それらすべてを測定しようとしています。」
