科学者たちが宇宙の最初の瞬間の秘密を明らかにする

彼らの取り組みは、宇宙が誕生してから最初の100万分の1秒で満たされた「原初のスープ」をマッピングすることに焦点を当てた。

エトヴェシュ・ロラン大学の物理学者は、世界の 3 つの最先端の粒子加速器を使用して原子核の成分を研究しました。 彼らの研究は、宇宙が誕生してから最初のマイクロ秒の間に存在した「原始スープ」を調査することを目的としています。 興味深いことに、彼らの研究結果は、観察された粒子の動きが海洋捕食者の獲物の探索、気候変動パターン、株式市場の変動に似ていることを示唆しています。

事故直後 大爆発温度が非常に高かったため、原子核も、その構成要素である核子も存在できなくなりました。 したがって、この最初のケースでは、宇宙はクォークとグルーオンの「原始スープ」で満たされていました。

宇宙が冷えるにつれて、この媒体は「凍結」プロセスを経て、今日私たちが知っている陽子や中性子などの粒子の形成につながりました。 この現象は、粒子加速器の実験でははるかに小さいスケールで再現され、そこでは 2 つの原子核間の衝突によってクォーク物質の小さな液滴が生成されます。 これらの液滴は最終的に凍結によって通常の物質に変化しますが、この変化は実験を行っている研究者には知られています。

クォーク物質の違い

しかし、粒子加速器内の衝突エネルギーによる圧力や温度の違いにより、クォーク物質の性質は異なります。 この違いを利用するには、米国の相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) やスイスの超陽子衝突型加速器 (SPS) や大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) など、さまざまなエネルギーの粒子加速器で物質を「スキャン」する測定が必要です。

「この側面は非常に重要であるため、ドイツや日本など世界中で、特にそのような実験のために新しい加速器が作られています。おそらく最も重要な問題は、フェーズ間の移行がどのように起こるかです。臨界点が表面に現れるかもしれません」エトヴェシュ・ロラン大学（ELTE）原子物理学科の物理学教授マティ・チャナド氏はこう説明する。

ブルックヘブン国立研究所と欧州原子核研究機構（CERN）にある、実際の衝突事故から再構成された軌跡と、関与した検出器の写真のモンタージュ。 出典: Máté Csanád / Eötvös Loránd University が作成したモンタージュ モンタージュの元の画像: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory および CMS és NA61: CERN

研究の長期的な目標は、クォーク物質と原子核の相互作用を支配する強い相互作用についての理解を深めていくことです。 この分野における私たちの現在の知識レベルは、ボルタ、マクスウェル、またはファラデーの時代の人類の電気の理解にたとえることができます。 彼らは基本方程式についてのアイデアを持っていましたが、電球からテレビ、電話、コンピュータ、インターネットに至るまで、日常生活を大きく変えるテクノロジーを開発するには、多大な実験的および理論的研究が必要でした。 同様に、強力な相互作用に関する私たちの理解はまだ初期段階にあり、それを探索してマッピングするための研究が重要になっています。

フェムトスコープの革新

ELTE の研究者は、上記の各加速器の実験に携わっており、過去数年間の研究により、クォーク物質の幾何学的形状の包括的な画像が得られました。 彼らはフェムトスコープ技術を適用することでこれを達成しました。 この技術は、生成される粒子の非古典的で量子的な波の性質から生じる相関を使用し、最終的には粒子の放出源である媒体のフェムトメーター構造を明らかにします。

エトヴェシュ大学の研究者は、ブルックヘブン国立研究所での STAR 実験のデータ収集に取り組んでいます。 クレジット: Máté Csanád / Eötvös Loránd University

「過去数十年間、フェムトコピーは、クォーク物質が正規分布、つまり自然界の多くの場所で見られるガウス形状に従うという仮定に基づいて行われていました」と、グループの主任研究者の一人、マートン・ナジは説明する。

しかし、ハンガリーの研究者らは、海洋捕食者による獲物の探索、株式市場のプロセス、さらには気候変動をうまく説明する、より一般的な枠組みとして、さまざまな科学分野でもよく知られているレヴィのプロセスに注目した。 これらのプロセスの際立った特徴は、特定の瞬間に非常に大きな変動が生じること (たとえば、サメが新しい領域で餌を探すとき) であり、そのような場合には正規 (ガウス) 分布の代わりに繊維分布が発生する可能性があります。

ELTE の意味と役割

この研究はいくつかの理由から非常に重要です。 まず、クォーク物質のハドロン物質への凍結の最も研究されている特徴の 1 つは、フェムトスコピック半径 (よく知られたハンベリー ブラウン効果とトウィス効果にちなんで、HBT 半径とも呼ばれます) です。 天文学では、フェムトスコープ測定から得られます。 ただし、この尺度は媒体の想定される形状に依存します。 同グループの博士研究員ダニエル・キンシス氏は次のように要約しています、「ガウスの仮定が最適でない場合、これらの研究からの最も正確な結果はレヴィの仮定の下でのみ得られます。レヴィの分布を特徴付けるレヴィ指数の値は、また、それらは相転移の性質にも光を当てており、衝突エネルギーによる相転移の変化からクォーク物質のさまざまな相についての洞察が得られます。

ELTE の研究者は、SPS 加速器の NA61/SHINE、RHIC の PHENIX と STAR、LHC の CMS の 4 つの実験に積極的に参加しています。 ELTE の NA61/SHINE グループは永井良和がリーダーであり、CMS グループはガブリエラ・パストールがリーダーです。 そして、ELTE でフェムトスコープ研究の調整も行っているマテ・サナードによって設立された RHIC グループです。

これらのグループは、試薬開発からデータ取得と分析に至るまで、さまざまな能力で実験の成功に大きく貢献しています。 彼らはまた、多くの理論的プロジェクトや研究にも参加しています。 「私たちのフェムトスコープ研究のユニークな点は、それが 3 つの粒子加速器で 4 つの実験で実行されていることです。これにより、クォーク物質の幾何学と考えられる相についての広い視野が得られます」と Matej Chanad 氏は言います。

参考文献: 「クーロン最終状態相互作用を使用したボース・アインシュタイン相関関数の計算のための新しい方法」Marton Nagy、Aleta Borza、Matej Csanad、および Daniel Kinsis 著、2023 年 11 月 8 日、 ヨーロッパ物理ジャーナル C。
土井: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y