LHCの最新の粒子衝突で、物質の新たな形態が発見される

大型ハドロン衝突型加速器では、粒子が驚くべき挙動を示しており、何か珍しい新しい物理学が出現しているのかもしれない。素粒子物理学者によると、陽子と鉛原子核の衝突により、量子もつれに依存する新しいタイプの物質が形成される可能性があるという。

LHC の 2 つの主要磁石粒子検出器の 1 つであるコンパクト ミューオン ソレノイドは、鉛イオンと陽子の衝突に忙しく取り組んでいます。粒子が信じられないほどのエネルギーで衝突すると、粒子は構成粒子にばらばらに吹き飛び、物理学者はその破片の中にその構成要素を探します。これが、LHC の科学者が今年の夏にヒッグス粒子を発見した方法です (この新しいケースでは、科学者は粒子の挙動を探していたのであって、必ずしも新しい基本的な要素を探していたわけではありません)。

破片は通常、光に近い速度であらゆる方向に飛び散りますが、爆発した破片が別の動きをすることもあります。破片は互いに離れて飛びますが、秩序だった形で、互いに相関関係を保ちます。これは、以前にも陽子同士の衝突や、鉛などの重金属の原子核同士の衝突で見られました。重イオンの衝突では、この相関関係はある程度意味をなします。物理学者は、これがクォークグルーオンプラズマと呼ばれるものの結果であると考えているからです。この渦巻く粒子のスープは、ビッグバン後の最初の数百万分の1秒間存在した原始スープと同じです。スープは粒子を集めて同じ方向に押し出します。同様に、陽子同士の衝突では、粒子は色ガラス凝縮と呼ばれるものに巻き込まれると考えられており、これもグルーオンの波のように動作します。

現在、CMS の科学者たちは、この方向の相関は陽子と鉛の衝突でも起きていると述べています。これは驚きでした。MIT によると、これは量子力学と関係があるかもしれません。

「お互いに方向を伝え合う方法がはっきりしないにもかかわらず、どういうわけか同じ方向に飛んでいます。これは私たちを含め、多くの人々を驚かせました」と、衝突データの分析を主導したMIT物理学教授のガンター・ローランド氏はMITニュースに語った。

9 月、CMS のメンバーは粒子加速器を最大出力の半分強まで上げ、鉛の原子核と陽子を衝突させて、2 つの粒子の角度相関関係を探し始めました。200 万回の鉛と陽子の衝突のサンプルでは、​​いくつかのペアがそれぞれの方向を相関させて飛び去りました。どのようにでしょうか?

LHC やその他の粒子加速器は、粒子を加速してエネルギーを与え、質量を増やすことを目的としています。これにより粒子は「重くなり」、爆発したときにより多くの破片が飛び出します。しかし、これにより粒子の挙動にもいくつかの変化が生じます。つまり、通常の陽子には 3 つのクォークがありますが、陽子が加速して重くなると、余分なグルーオンが付着します。これらのグルーオンは (技術的にはすべての粒子がそうであるように) 粒子としても波としても存在します。それらの波動関数は互いに相関しており、MIT News の説明によると、それらはエンタングルメント状態にあります。この量子エンタングルメント、つまり遠隔での不気味な作用により、互いに離れて飛んでいく粒子が共通の挙動を持つことができる理由が説明されます。

なぜこのようなことにこだわるのでしょうか。この結果はまったく予想外のものでした。CMS チームは、より優れた制御データを取得する目的で、陽子と鉛の衝突をいくつか実行したのです。ですから、これは興味深いことです。しかし、より根本的には、これは、極小レベルでの新たな動作の理解を示唆しています。陽子内でのクォークとグルーオンの挙動に関する理解を深めることで、すべての物質の構成要素と、ビッグバン直後の物質の挙動に関する理解が深まります。LHC はまさに、このような科学のために作られたのです。

MITニュース