大きな打撃を受けた 大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、数兆度の核物質を通してクォークによって残された航跡の最もかすかな痕跡を明らかにしました。これは、宇宙の原始スープが実際には私たちが思っていたよりもスープに似ている可能性があることを示唆しています。
LHCのコンパクトミュオンソレノイド（CMS）共同研究による新たな発見は、高エネルギーのクォークがクォーク・グルーオンプラズマを横切る際の粒子生成の微妙な「低下」の初めての明確な証拠を示した。これは、マイクロ秒後に宇宙を満たしたと考えられている原始物質の一滴である。 ビッグバン。
宇宙初期の状態を実験室で再現する
重い原子核が LHC 内で光速に近い速度で衝突すると、それらは短時間溶けて、クォーク グルーオンとして知られるエキゾチックな状態になります。 プラズマ。
この極限環境では、「密度と温度が非常に高くなり、規則的な原子構造が維持できなくなります」。 イーチェンヴァンダービルト大学の物理学助教授でCMSチームのメンバーである同氏は電子メールでLive Scienceに語った。その代わり、「すべての原子核が重なり合って、いわゆるクォーク・グルーオン・プラズマを形成しており、クォークとグルーオンは原子核の範囲を超えて移動することができる。それらはより液体のように振る舞う。」
この血漿液滴は非常に小さい – 約 10-14 直径はメートル、または原子の 10,000 分の 1 であり、ほぼ瞬時に消えてしまいます。しかし、そのつかの間の落下の中で、クォークとグルーオン – の基本的な伝達者 強力な原子力 原子核を結合しているものは、集合的には単純な粒子の気体よりも過熱した液体に近い形で流れます。
物理学者は、高エネルギー粒子がこの奇妙な媒体とどのように相互作用するかを理解したいと考えています。 「私たちの研究では、さまざまな物体が衝突によって形成される液滴とどのように相互作用するかを研究したいと考えています」とチェン氏は語った。 「たとえば、高エネルギーのクォークはどのようにしてこの熱い液体を通過するのでしょうか?」
この理論は、水に浮かぶボートが後跡を残すのと同じように、クォークがプラズマ中に検出可能な後跡を残すと予測しています。 「水がボートと同じ方向に移動するのがわかりますが、水が押しのけるにつれてボートの後ろの水位がわずかに下がることも予想されます」とチェン氏は述べた。
しかし、実際には、「ボート」と「水」を区別するのは簡単ではありません。血漿液滴は小さいため、実験の分解能は限られています。クォークの進路の手前では、クォークとプラズマが激しく相互作用するため、どの信号がどの信号から来たのかを見分けることが困難になります。しかし、クォークの背後に、航跡が存在する場合、それはプラズマ自体の特性であるに違いありません。
「そこで、裏側にあるこの小さなくぼみを見つけたいのです」とチェン氏は語った。
Z ボソンを使ったクリーンな調査
その航跡を分離するために、チームは特定のパートナー粒子に注目した。それは、電磁気力、強力な重力、重力と並んで、弱い核力の 4 つの基本的な相互作用の 1 つであり、一部の核および亜原子の崩壊プロセスに関与する、弱い核力の伝達物質の 1 つである Z 粒子である。衝突によっては、Z ボソンと高エネルギーのクォークが同時に生成され、反対方向に共鳴します。
ここで Z ボソンが重要になります。 「Z粒子は弱い力の原因であり、プラズマに関する限り、Z粒子は単に逃げ出して画像から消えるだけです」とチェン氏は述べた。クォークやグルーオンとは異なり、Z ボソンはプラズマとほとんど相互作用しません。それらは衝突領域を損傷せずに残し、クォークの元の方向とエネルギーの明確な指標を提供します。
この設定により、物理学者は、伴粒子が媒質によって歪むことを心配することなく、プラズマ中を通過するクォークに焦点を当てることができます。本質的に、Z ボソンは校正されたマーカーとして機能し、クォークの背後での粒子生成の微妙な変化を発見しやすくします。
CMS チームは、Z ボソンとハドロン (衝突によって放出されたクォークからなる複合粒子) の間の相関を測定しました。クォークの運動に対して「逆方向」にどれだけのハドロンが現れるかを分析することで、予測される航跡を発見できる。
小さいけれど重要な兆候
結果は微妙です。 「平均して、逆方向では、血漿量の変化は 1% 未満です」と Chen 氏は述べました。 「これは非常に小さな効果です（そして、人々がそれを実験的に実証するのに非常に長い時間がかかった理由の一つでもあります）。」
それにもかかわらず、1% 未満の抑制はまさに、クォークがエネルギーと運動量をプラズマに伝達し、その後に減衰領域を残すことから予想される種類の兆候です。研究チームは、Zタグ付きイベントでこのような減少が明確に検出されたのはこれが初めてであると報告している。
ディップのサイズと深さは、プラズマの特性に関する情報をエンコードします。チェン氏の例え話に戻ると、水がスムーズに流れていれば、ボートの後ろの窪みはすぐにいっぱいになる、と述べた。それが蜂蜜のように振る舞う場合、うつ病は持続します。 「したがって、このディップがどのようなものかを研究することにより、ボートの複雑さを必要とせずに、プラズマ自体についての情報が得られます」と彼女は言いました。
初期宇宙を見据えて
この発見は宇宙論的な意味も持っています。ビッグバン直後の初期宇宙は、冷却されて陽子、中性子、そして最終的には原子になる前に、クォーク・グルーオン・プラズマで満たされていたと考えられています。
「この時代は望遠鏡では直接観察できません」とチェン氏は言う。 「当時、宇宙は不透明でした。」重イオンの衝突は「この時代に宇宙がどのように振る舞ったかを少し垣間見ることができる」と彼は言う。
今のところ、観察された減少は「始まりにすぎない」とチェン氏は結論付けた。 「この研究の興味深い意味は、プラズマの特性についてより多くの情報を得る新たな道を開くことです。より多くのデータが蓄積されるにつれて、この効果をより正確に研究し、近い将来プラズマについてさらに詳しく知ることができるでしょう。」
