大型ハドロン衝突型加速器がビッグバンプラズマをいかに生成するか

通常、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による骨の折れる科学研究 (たとえばヒッグス粒子の特定と追跡) のほとんどは、光速に近い速度で陽子を発射するときに行われます。

しかし、毎年年末近くの約1か月間、LHCは陽子から、約208倍重い鉛イオンの弾丸に弾丸を切り替えます。

LHC がそれらのイオンを互いに衝突させると、科学者は、すべてを適切に計算していれば、ビッグバンから数百万分の一秒後に存在しなくなった宇宙のような、一瞬の宇宙の一滴を垣間見ることができる。

これはクォークグルーオンプラズマの話です。原子を一つ取ります。どんな原子でもいいです。その渦巻く電子雲を剥がすと、その中心である原子核が現れます。次に、原子核を基本構成要素である陽子と中性子に細かく切り分けます。

20 世紀初頭、物理学者が初めて原子核を分裂させたとき、彼らが到達できたのはここまでだった。陽子、中性子、電子が宇宙全体の質量を形成していた。正確には、これらに加えて、ミューオンのような短命の電荷を帯びた粒子が少量含まれていた。しかし、計算、原始的な粒子加速器、地球の大気圏に衝突する宇宙線によって、さらにさまざまな難解な粒子が明らかになり始めた。それは、宇宙人に超能力を与えるかのように聞こえる、カオン、パイ中間子、ハイペロンなどである。

宇宙にこれほど多くの基本的な要素が存在するのは、かなり不格好に思えた。物理学者たちはすぐに、それらの粒子の一部はまったく基本的なものではなく、さらに小さな粒子の組み合わせであることに気付き、それをジェイムズ・ジョイスの『フィネガンズ・ウェイク』に一部ヒントを得た言葉で「クォーク」と名付けた。

クォークには 6 つの異なる「種類」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、中性子は 2 つのダウンクォークと 1 つのアップクォークで構成されています。(他の 4 つは、重さと捉えにくさの順に、ストレンジクォーク、チャームクォーク、ビューティクォーク、トップクォークです。)

この時点で、材料のリストは終わりです。私たちの世界では、通常、陽子や中性子をクォークに切り分け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、物理学者は回避策を思いつきました。それは、物体を加熱することです。科学者がハーゲドン温度と呼ぶ温度に達すると、それらの亜原子粒子は、クォークと、それらを接着するさらに小さな粒子であるグルーオンの高エネルギー スープになります。科学者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。

これは魅力的なレシピだ。なぜなら、クォークとグルーオンは通常、単独では存在できず、それらが構成するより大きな粒子から再構成するのは困難だからだ。「水を与えても、水素原子と酸素原子の特性を見分けるのは非常に難しい」と、インド国立科学教育研究機関と欧州原子核研究機構の物理学者、ベダンガダス・モハンティ氏は言う。「同様に、陽子、中性子、パイ中間子を与えることはできるが、クォークとグルーオンの特性を本当に研究したいなら、それらを箱に入れて無料で入手する必要がある」

これは、家庭のオーブンで試せるレシピではありません。日常の世界の単位では、ハドロン系の温度は約 3 兆度で、太陽の中心の 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。粒子を十分なエネルギーで加速する必要があります。科学者が QGP の作成に着手したとき、LHC は遠い将来の夢に過ぎませんでした。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、スーパープロトンシンクロトロン (SPS) がありました。

その名前が示すように、SPS は陽子を固定された標的に衝突させるように設計されました。しかし 1980 年代の終わりまでに、科学者たちは陽子を重イオン (鉛の原子核) に置き換えて、何ができるか試してみることにしました。1990 年代を通して何度も実験を重ねるうちに、CERN の研究者たちは原子核に何かが起きているのを見たと考えました。

「驚いたことに、すでに比較的低いエネルギーで、クォークグルーオンプラズマが作られているように見えました」とオランダ国立素粒子物理学研究所と欧州原子核研究機構（CERN）の物理学者、マルコ・ファン・レーウェン氏は言う。2000年に同氏のチームは、この成果の「説得力のある証拠」があると主張した。

大西洋の向こう側では、ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所で CERN の同僚たちが、楽観と不安を等しく抱えながら実験を続けていた。その不安は、2000 年頃、ブルックヘブンが QGP を作成するために特別に設計された相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) を稼働させたときに消えていった。

「RHICが起動し、我々はクォーク・グルーオン・プラズマの奥深くにいた」とブルックヘブン国立研究所の物理学者ジェームズ・ダンロップ氏は言う。

つまり、現在世界には 2 つの主要な QGP 工場があるということです。CERN とブルックヘブンです。この 2 つの衝突型加速器により、量子物質がこの世に存在する短い瞬間に、物理学者は「小さな爆発」と呼ばれるプラズマの実体化を観察できます。

時間を行き来する

ビッグバンに近づくほど、宇宙は私たちがよく知っている宇宙とは似ても似つかなくなります。この記事の執筆時点では、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はビッグバンから約 3 億 2000 万年後の銀河を観測している可能性があります。さらにさかのぼると、文字通り暗黒時代、つまり最初の星が出現する前の時代、宇宙の背景以外に宇宙を照らすものがほとんどなかった時代に到達します。

この暗い時代では、天文学は着実に素粒子物理学に取って代わられています。さらに遡って、ビッグバンからわずか 38 万年後には、電子が原子核に結合して原子を形成しているところです。さらに遡ると、宇宙はますます小さく、密度が高く、熱くなっています。ビッグバンから数秒後、陽子と中性子はまだ結合して水素よりも複雑な原子核を形成していません。

さらに遡ると、ビッグバンから約100万分の1秒後、宇宙はクォークとグルーオンが分離したままになるほど高温になっている。物理学者が作ろうとしているのは、この宇宙のミニチュア版だ。

物理学者たちは、CERN のビジター センターを見下ろす、非常にモダンなオフィスビルで宇宙について考えを巡らせています。このビルの窓から外を見ると、ジュネーブの路面電車の終点が見えるかもしれません。街の主要鉄道駅であるコルナヴァン駅まではわずか 20 分です。

CERN の物理学者、ウルス・ヴィーデマンとフェデリコ・アンティノリがオフィスで私に会った。ヴィーデマンは理論物理学者出身で、アンティノリは実験家であり、重イオン衝突実験を統括している。QGP の研究には両者の才能が必要だ。

「クォークグルーオンプラズマの存在は私たちが確立しました」とアンティノリ氏は言う。「最も興味深いのは、それがどのような動物なのかを理解することです。」

たとえば、最初に QGP を作成した同僚たちは、ある種のガスが見つかるだろうと予想していました。しかし、QGP は液体のように振る舞います。実際、QGP は、粘性がほとんどない完全液体と呼ばれる液体のように振る舞います。(そう、初期の宇宙は、ごく短期間ではありますが、一種の過熱された海だった可能性があります。多くの創造神話では、粒子加速器の中に遠くの鏡が見つかるかもしれません。)

アンティノリ氏とヴィーデマン氏は、液体が生まれる様子、原子核がバラバラになる様子を見ることに特に興味を持っています。科学者の中には、QGP の生成が雪を溶かして液体の水を作るのと同じようなものであるかのように、このプロセスを「相転移」と呼ぶ人もいます。しかし、陽子と中性子を QGP に変えるということは、氷を溶かすというよりも、根本的に異なる物理法則を持つまったく異なる世界への移行を作り出すことです。「私たちが住む世界の対称性が変わります」とヴィーデマン氏は言います。

この変化は、宇宙がハゲドン温度を超えて冷えていくごく初期の段階では、逆に起こりました。クォークとグルーオンが集まって陽子と中性子が形成され、それが今度は私たちが今日知っている原子を形成します。

しかし物理学者たちは、このプロセスを数学で理解するのに苦労している。彼らは研究室で QGP 衝突を調べることで、理解に近づいている。

QGP は強い核力の実験室でもあります。強い核力は、重力、電磁気、および特定の放射性プロセスを支配する弱い核力とともに、宇宙の 4 つの基本的な力の 1 つであり、原子の中心で粒子をまとめるものです。QGP の名前のグルーオンは、強い核力のツールです。グルーオンがなければ、荷電粒子は電磁的に反発し合い、原子はバラバラになってしまいます。

重力と電磁気についてはかなり多くのことが分かっているものの、強い核力の内部の仕組みは未だに謎のままです。さらに、科学者たちは強い核力が果たす役割についてさらに詳しく知りたいと考えています。

「『電子が光子とどのように相互作用するかは理解している』と言うことはできますが、それはレーザーがどのように機能するかを理解していということではありません。また、このテーブルがなぜ壊れないのかを知っているということでもありません。」とヴィーデマン氏は言います。

繰り返しますが、このようなことを理解するには、重イオンを衝突させる必要があります。

SPS のような装置があれば、科学者は QGP の液滴を観察して、その存在を確認することができます。しかし、実際に内部を覗き込んでその特性がどのように働いているかを見て調べるには、もっと強力な装置が必要になります。

「SPS で利用できるエネルギーよりも高いエネルギーにする必要があることは明らかでした」とアンティノリ氏は言います。

宇宙を偽造する機械

CERN のキャンパスからフランスに渡ると、ジュラ山脈の恵みの下にあるこの緑豊かな美しい谷が、超伝導磁石と鋼鉄でできた 17 マイルのリングの上にあるとは到底思えない。そのリングの周囲には、さまざまな実験や検出器が点在している。QGP の探索は、そのような検出器の 1 つに本部を置いている。

そこへ向かう道は、CERN の職員の多くが住むサン・ジュニ・プイイのきらびやかな村落を通ります。田園地帯の郊外には、工業用の直方体建物や冷却塔が集まっています。

駐車場を見下ろす波形金属のファサードにある壁画を除けば、この複合施設は、ここが科学者が QGP を探す場所であること、つまり、これらの倉庫のような建物の 1 つが、大型イオン衝突型加速器実験 (ALICE) と呼ばれる大型イオン衝突型加速器実験の外側の繭であることをあまり宣伝していない。

CERN の物理学者ニマ・ザルドシュティが、パステルカラーの壁画に描かれた ALICE の検出器、QGP ウォッチャーの下で私を迎えてくれた。ザルドシュティは私を中に案内し、月面着陸のドキュメンタリーに出てきそうな制御室を通り過ぎ、金属板で覆われた角を曲がって断崖まで連れて行った。数階下のコンクリートの遮蔽物がその上を覆っている。「このコンクリートが放射線を遮断するのです」とザルドシュティは説明する。

その下には、目に見えない本物の装置が置かれている。その大きさは小さな建物ほどで、重さはエッフェル塔とほぼ同じだ。検出器は地下 180 フィート以上の深さにあり、鉱山リフトでアクセスできる。LHC が稼働している間は、放射性物質や危険物質が燃えた場合に迅速に駆けつける必要がある CERN の消防署を除き、誰もそこへ入ることはできない。

その装置内で衝突する重イオンは、この建物で生成されるのではない。数マイル離れたところに、LHC の最初の足掛かりに改造された古い SPS がある。SPS は鉛の原子核の束を光速に非常に近い速度まで加速する。準備が整うと、短い方の衝突型加速器から長い方の衝突型加速器に放出される。

しかし、SPSとは異なり、LHCは固定ターゲット実験は行いません。その代わりに、ALICEは磁気スクイーズを作り出し、反対方向に走る鉛ビームを激しく正面衝突させます。

鉛イオンは優れた材料となる。鉛208イオンは82個の陽子と126個の中性子から成り、その2つは原子核を可能な限り球形にするのに役立つ「魔法の数字」である。球形の原子核は衝突を起こしやすい。（大西洋の向こう側にあるブルックヘブンのRHICは金イオンを使用している。）

ALICE の検出器はカメラではありません。QGP は「目に見える」光の玉のようなものではありません。これらの鉛イオンが高エネルギーで衝突すると、QGP の閃光が放出され、小さな粒子の嵐となって散逸します。検出器は光を監視するのではなく、粒子が流れ落ちる様子を監視します。

陽子同士の衝突では数十個の粒子が生成されますが、物理学者が運が良ければ、おそらく 100 個になります。重イオンの衝突では数千個の粒子が生成されます。

重イオンが衝突すると、QGP の閃光と、より「通常の」粒子のとがったジェットが発生します。これは、チャームクォークやビューティクォークなどの重いクォークの組み合わせであることが多いです。ジェットは検出器に到達する前に QGP を貫通します。物理学者は、これらのジェットと、通過中にジェットがどのように変化したかを調べることで、QGP がどのように見えたかを再現できます。

まず、これらの粒子はスマートフォンのピクセルとよく似たシリコンチップに衝突します。次に、粒子は時間投影室、つまりガスで満たされた円筒を通過します。高エネルギーのままの粒子は、上層大気を通過する流星のようにガス原子を突き抜けます。粒子は電子を原子から弾き飛ばし、明るい軌跡を残します。これを室が捉えることができます。

素粒子物理学装置のファンにとって、タイム プロジェクション チャンバーは ALICE を特別なものにしています。「これは非常に便利ですが、欠点は、非常に遅いことです。他の実験では使用されない理由です」と Zardoshti 氏は言います。「このプロセスには、およそ 100 万分の 1 秒程度かかると思います。」

ALICE は毎秒約 3.5 テラバイトのデータ (長編映画 3 本分に相当) を作成します。物理学者はそのデータを処理して、粒子を生成した QGP を再構築します。そのデータの多くはここで処理されますが、その多くは広大なグローバル コンピューター ネットワークでも処理されます。

粒子加速器から中性子星まで

素粒子物理学は、常に数十年先を見据えた分野です。ALICE は 2010 年に運用を開始しましたが、物理学者たちは 1990 年代初頭、科学者が QGP を検出する何年も前から、すでにその構想を練り始めていました。

彼らが現在取り組んでいる大きな課題の 1 つは、鉛や金よりも小さなイオンを衝突させることで QGP を作れるかどうかだ。彼らはすでにキセノンで成功しており、今年後半には酸素のようなさらに小さな物質で試したいと考えている。「この物質を作ることができる遷移はどこなのかを知りたいのです」とザルドシュティは言う。「酸素はもう軽すぎるのでしょうか」。彼らは生命を与える元素が機能すると期待している。しかし、素粒子物理学では、事後になるまで確実なことは分からない。

長期的には、ALICE の管理者は大きな計画を立てている。2025 年以降、LHC はメンテナンスとアップグレードのために数年間停止し、衝突型加速器のエネルギーが増強される。これらのアップグレードと並行して、ALICE の検出器の全面的な改修が行われ、早ければ 2033 年に設置される予定だ。これらすべては、何年も前から計画されている。

CERN の管理者たちは、さらに遠い将来を見据えた装置、つまり LHC の 3 倍以上の規模で 2050 年代まで稼働しない未来円形衝突型加速器の構想を立案しようとしている。これが実現するかどうかはまだ誰にもわからないが、実現するとしても 200 億ユーロを超える投資を確保する必要がある。

より高いエネルギー、より大きな衝突型加速器、より感度の高い検出器はすべて、QGP 観測者の武器庫における強力なツールとなります。彼らが探している粒子は小さく、信じられないほど短命であり、それらをさらに多く見るためにこれらのツールが必要です。

しかし、素粒子物理学者が数十億ユーロを費やし、数十年にわたる努力をかけて、ごく初期の宇宙の断片を現実に戻そうとしている一方で、一部の天体物理学者は、宇宙も同じような熱意を示していたのではないかと考えている。

宇宙は粒子加速器の代わりに、はるかに強力な装置、つまり中性子星を利用することができる。

太陽の質量よりもはるかに大きい巨大な恒星が、壮大な超新星爆発でその生涯を終えると、残った核の破片が陥没し始めます。核は大きすぎるとブラックホールに崩壊してしまいます。しかし、質量がちょうど良い場合、核は原子核をクォークに引き裂くほどの圧力と温度に達します。これは、より自然な環境、つまりすべてが始まった無秩序な宇宙で大規模に行われた ALICE 実験のようなものです。

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