クォークを作る大型ハドロン衝突型加速器実験

30 年にわたり、世界中の物理学者は、宇宙の極初期に生命をもたらす粒子がどのように形成されたかを再現しようと試みてきました。 『ALICE』は彼らのこれまでで最も強力な作品です。

ラーフル・ラオ著 | 2023 年 8 月 31 日午前 6:00 EDT に公開

通常は、宇宙の創造は大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の仕事ではありません。 世界最大の粒子加速器からの画期的な科学のほとんど（たとえば、ヒッグス粒子の特定と追跡）は、ほぼ光の速度で控えめな陽子を発射するときに行われます。

しかし、LHCは毎年年末近くの約1か月間、弾薬を陽子線から約208倍重い鉛イオン弾に切り替える。

LHC がこれらのイオンを互いに衝突させると、科学者たちは、すべてを適切に解明していれば、ビッグバンの数百万分の 1 秒後に存在しなくなったような宇宙のつかの間の液滴を垣間見ることができます。

これはクォーク・グルーオン・プラズマの話です。 原子、任意の原子を考えてみましょう。 渦巻く電子雲を剥がすと、その核である原子核が現れます。 次に、原子核をその基本構成要素である陽子と中性子に細かく分割します。

20 世紀初頭に物理学者が初めて原子核を分割したとき、これが限界でした。 陽子、中性子、電子が宇宙全体の質量を形成し、それに加えて、ミュー粒子のような短寿命の荷電粒子もいくつか含まれています。 しかし、計算、原始粒子加速器、地球大気に衝突する宇宙線などにより、宇宙人に超能力を与えるかのように聞こえるカオン、パイオン、ハイペロンなどの難解な粒子のさらなる群集が明らかになり始めた。

これほど多くの基本的な材料を提示するのは、この世界においてかなり洗練されていないように思えました。 物理学者たちはすぐに、これらの粒子の一部はまったく素粒子ではなく、さらに小さな粒子の組み合わせであることを発見し、ジェイムズ・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』から部分的にインスピレーションを得た言葉「クォーク」をその粒子に付けました。

クォークには 6 つの異なる「フレーバー」がありますが、観測可能な宇宙の大部分は、アップ クォークとダウン クォークの 2 つだけで構成されています。 陽子は 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークで構成されます。 中性子が 1 つ、下が 2 つ、上が 1 つです。 (残りの 4 つは、重さととらえどころのない順に、ストレンジ クォーク、チャーム クォーク、ビューティー クォーク、トップ クォークです。)

この時点で、材料のリストは終了です。 私たちの世界では、通常、陽子や中性子をクォークに切断することはできません。 ほとんどの場合、クォークは単独では存在できません。 しかし、1970 年代までに物理学者は、加熱するという回避策を考え出しました。 科学者がハーゲドン温度と呼ぶ温度では、これらの素粒子はクォークの高エネルギースープと、それらを接着するさらに小さな粒子であるグルーオンに還元されます。 科学者たちはそのスープをクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）と名付けました。

繰り返しになりますが、クォークとグルーオンは通常単独で存在することができず、それらが構築するより大きな粒子からそれらを再構築するのは困難であるため、これは魅力的なレシピです。 「水を与えると、[水素原子と酸素原子]の性質を見分けるのは非常に困難です」とインド国立科学教育研究研究所およびCERNの物理学者ベダンガダス・モハンティ氏は言う。 「同様に、陽子、中性子、パイオンも提供できます…しかし、クォークとグルーオンの性質を本当に研究したい場合は、それらを箱に入れて無料で提供する必要があります。」

これは家庭用オーブンで試すことができるレシピではありません。 日常世界の単位で表すと、ハドロン系の温度は華氏約 3 兆度であり、これは太陽の中心より 10 万倍も高温です。 この作業に最適な機器は粒子加速器です。

しかし、どんな粒子加速器でも良いというわけではありません。 十分なエネルギーで粒子を強化する必要があります。 そして科学者たちが QGP の創設に着手したとき、LHC は遠い将来の夢に過ぎませんでした。 その代わりに、CERN には、LHC の円周の約 4 分の 1 しかない古い衝突型加速器、スーパー陽子シンクロトロン (SPS) がありました。