科学者たちは宇宙の最初の瞬間から一瞬の粒子を発見した

CERN の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の磁気渦の中で原子や素粒子が渦を巻き、互いに衝突すると、それらの衝突とそれによって生成される高エネルギーの破片を監視する検出器が、観察したものをデータに変換します。大量のデータです。

そのデータの大部分は、CERN が自動的にフィルターで除去する無駄なものだ。しかし、CERN の推定によると、LHC が稼働する毎年の保存データは 90 ペタバイトで、これは一般的な 1 テラバイトのハード ドライブ 90,000 台を埋め尽くす量だ。CERN は 1960 年代のスペース オペラのように、そのほとんどをフランスとスイスの国境近くの光沢のある部屋にある巨大な磁気テープ バンクに保存している。人間が簡単にふるいにかけるには、データが多すぎる。

こうした貯蔵庫の奥深くに、発見されるのを待っている隠れた宝石が眠っていることは、おそらく驚くことではない。素粒子物理学者たちは、そのような宝石の 1 つを発見した。X(3872) という奇妙な名前を持つ奇妙な粒子だ。彼らの言うことが正しければ、これは最も初期の時間のきらめき、つまりビッグバン後の最初の 100 万分の 1 秒に宇宙がどのような様子だったかを振り返る機会になるかもしれない。彼らは 1 月 19 日、Physical Review Letters 誌にその研究結果を発表した。

彼らは、この粒子がどのようなものかという表面をなぞっただけだ。「異なるグループによる理論的予測は、互いに一致しなかった」と、研究者の一人であるMITの素粒子物理学者イェン・ジエ・リー氏は言う。

X(3872)は未確認粒子の名前のように聞こえ、これまでの目撃例も確かにつかの間のものだった。最初の目撃例は2003年、東京北部の​​筑波にある粒子加速器Belle実験の科学者たちが、電子を衝突させているときにX(3872)をちらりと見た。残念ながら、X(3872)は崩壊して消え去るのが早すぎたため、科学者たちは多くを解明することができなかった。

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その代わりに、科学者たちは、クォークグルーオンプラズマと呼ばれるものの中にX(3872)を見つけることができると考えました。原子核には陽子と中性子の塊が含まれていますが、これらの小さな粒子は実際にはクォークと呼ばれるさらに小さな粒子から作られています。より大きな粒子を作るために、クォークはグルーオンによって結合されます。グルーオンは、小さな核力の媒介として働く、さらに小さな粒子です。

極めて高い温度（数兆度）では、陽子や中性子、その他の類似の粒子が崩壊し、高エネルギーのクォークとグルーオンのスラリーに溶解します。これがクォーク・グルーオン・プラズマです。

物理学者がそれを作り出すことができたのは、21世紀になってからである。効果があることが証明されている方法の1つは、重イオン衝突、つまり原子核を非常に高速で衝突させる方法である。幸い、LHCの実験では重い鉛原子を衝突させ、研究者が詳しく調べられるようにクォークグルーオンプラズマのデータ痕跡を残していた。

しかし、それはそれほど簡単ではない。「これまで、重イオン衝突でX(3872)を検出しようとした人は誰もいませんでした。非常に難しい作業だからです」とリー氏は言う。

LHC は通常、陽子のような小さな粒子を衝突させるが、原子核のような大きな粒子はより多くの破片を残す。「陽子同士の衝突では、1 回の衝突で数十個程度の粒子が生成されますが、重イオンの衝突では通常、1 回の衝突で数千個、場合によっては 1 万個の粒子が生成されます」と、MIT のポスドクで研究者の 1 人であるジン・ワン氏は言う。

LHC データの熱帯雨林に埋もれた X(3872) を見つけるのは、草原で針を探すようなものだ。ワン氏と同僚は機械学習を利用した方法を考案した。X(3872) が他の粒子に崩壊する際に、その特徴、つまり指紋を見つけるアルゴリズムを訓練したのだ。微調整を行った後、アルゴリズムは X(3872) と同じ質量を持つ粒子を 100 回以上見つけた。

この結果は、歴史の最も初期の産物について、より多くのことを教えてくれる。クォークグルーオンプラズマは、私たちが物質として認識している分子、原子、さらには陽子や中性子が形成される前の、宇宙の誕生から最初の100万分の1秒間に宇宙を満たしていた。

リー氏は、将来的にはプラズマ中のクォークとグルーオンを使って粒子を分解し、内部にあるものを見ることができるようになるだろうと語る。

物理学者の中には、X(3872)は4つのクォークを持つ粒子、つまりテトラクォークである可能性があると考える者もいる。私たちがよく知っている亜原子粒子、つまり典型的な陽子と中性子は3つのクォークで構成されているが、テトラクォーク粒子は奇妙で、まとまるには通常高いエネルギーが必要である。過去10年間、物理学者は粒子加速器でテトラクォークの他の例を確認している。

もうひとつの可能性は、X(3872)が実は中間子からできているというものだ。中間子は、クォークと反クォーク（クォークの反物質のドッペルゲンガー）の2つの粒子からできている別の種類の亜原子粒子である。中間子は、高エネルギー宇宙線が一般的な物質と衝突したときに、地球上で瞬間的に現れることがある。しかし、複数の中間子からできているより大きな粒子を見た人はいない。

これは非常に興味深いことだとリー氏は言う。なぜなら、X(3872)が中間子から生成されたのであれば、それは宇宙がそのような「エキゾチックな」粒子で輝いていたことの証しとなるからだ。

しかし、それを知るには、さらに多くのデータを待つ必要がある。LHCは現在、2回目の延長メンテナンスおよびアップグレード期間（まさに「長期シャットダウン2」と呼ばれている）に入って3年が経っており、COVID-19の影響で再開日が何度も延期されている（早ければ来月になるかもしれない）。その後は、衝突が増え、クォークグルーオンプラズマが増え、ふるいにかけるデータが増えることになる。

「この研究をさらに大量のデータで継続していくのは興味深いことだ」とリー氏は言う。