陽子を使いこなす

陽子を使いこなす物理

科学者たちは、光速で移動する陽子の内部で何が起こっているかを計算する画期的な理論を開発しました。

2,000年以上もの間、科学者たちは原子を最小の粒子だと考えていました。

その後、原子は陽子と中性子からなる原子核を電子が取り囲んでいることがわかりました。

その後、陽子と中性子自身が、クォーク1クォークとは素粒子の一種で、物質の基本構成要素である。クォークは結合してハドロンと呼ばれる複合粒子を形成し、その中で最も安定しているのが原子核の構成要素である陽子と中性子である。と反クォークからなる複雑な内部世界を持ち、グルーオン2グルーオンは、クォーク間の強い力の交換粒子として働く素粒子で、2つの荷電粒子間の電磁力における光子の交換に相当します。グルーオンは、クォーク同士を結合し、陽子や中性子などのハドロンを形成する。による瞬間接着剤のような力で結合していることがわかりました。

米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所の物理学者であるYong Zhao氏は、「陽子と中性子は、銀河や星から私たちに至るまで、目に見える宇宙の99%以上を構成しています。しかし、陽子や中性子の豊かな内部生活については、まだ多くのことがわかっていません。」

Zhao氏は、光速で移動する陽子のクォークとグルーオンの構造を計算する革新的な方法に関する論文を共著で発表しています。

研究チームが開発したのは、大運動量有効理論(Large-Momentum Effective Theory、略してLaMET)と呼ばれるもので、格子量子色力学(QCD)と呼ばれる理論と共同で機能しています。

陽子は原子の約10万分の1という小さな存在であるため、物理学者は陽子を次元のない点としてモデル化することが多いです。

しかし、この新しい理論では、光速の陽子の中で起こっていることを、あたかも3次元の物体のように予測することができます。

運動量の概念は、LaMETだけでなく物理学全般に不可欠なもです。

運動量とは、物体の速度に質量をかけたものです。

半世紀以上前、物理学者のマレー・ゲルマン氏とジョージ・ツワイク氏は、静止している(運動量がない)陽子の内部構造の一部を、単純なクォークモデルで明らかにしたとZhao氏は説明します。

このモデルから、陽子は3つのクォークで構成されていると考えられ、電荷やスピンなどの本質的な性質が予測されました。

その後、陽子を光速近くまで加速して実験した結果、陽子は当初考えられていたよりもさらに複雑な構造をしていることがわかりました。

例えば、陽子には、グルーオンで結合した3つのクォークだけでなく、互いに影響し合う無数の粒子が含まれています。

グルーオンは、一時的にクォークと反クォークのペアになりますが、その後お互いに破壊して再びグルーオンになります。

これらの結果のほとんどは、DOEのフェルミ国立加速器研究所にあるような粒子加速器によってもたらされました。

「陽子を加速して標的に衝突させると、その多くの謎を解き明かすという点で、魔法が起こるのです。」とZhao氏は言います。

単純なクォークモデルが物理学界を揺るがしてから約5年後、リチャード・ファインマンが提唱したモデルでは、光速に近い速度で進む陽子が、無限のクォークとグルーオンを乗せたビームとして同じ方向に進むというものでした。

彼はこれらの粒子を「パートン」と呼びました。

彼のパートンモデルに触発されて、物理学者たちは陽子の3次元構造を記述する一連の量を定義した。

これにより、研究者は粒子加速器を使った実験でこれらの量を測定することができます。

当時、最も優れた理論である格子QCDを用いた初期の計算では、陽子内のクォークとグルーオンの分布に関する詳細な情報が得られました。

しかし、これには重大な欠点がありました。

それは、高速で運動する粒子と低速で運動する粒子を正確に区別することができなかったことです。

格子QCDでは、運動量に依存しない陽子の性質しか計算できないのが難点でした。

しかし、ファインマンのパートンモデルを格子QCDに適用するには、無限の運動量を持つ陽子の性質を知る必要があります。

つまり、陽子の粒子はすべて光速で移動していなければなりません。

この知識のギャップを部分的に埋めるために、LaMETは、運動量が大きいが有限である場合の格子QCDからのパートン物理を計算するためのレシピを提供しています。

「私たちはこの8年間、LaMETの開発と改良を続けてきました。我々の論文はこの作業をまとめたものです。」

スーパーコンピュータ上で実行されるLaMETによる格子QCD計算は、光速陽子の構造に関する新しい、そして改良された予測を生み出しています。

これらの予測は、電子・イオン衝突型加速器(EIC)と呼ばれる世界でも類を見ない新しい施設でテストすることができます。

この施設は、DOEのブルックヘブン国立研究所に建設されています。

「私たちのLaMETは、測定が非常に困難な量についても有用な情報を予測することができます。そして、十分に強力なスーパーコンピュータを使えば、場合によっては、我々の予測はEICでの測定よりも精密なものになるかもしれません。」とZhao氏は言います。

「理論とEICでの測定により、物質の3次元クォーク・グルーオン構造をより深く理解することで、科学者たちは陽子のはるかに詳細な姿に到達することができます。そして、私たちはパートン物理学の新しい時代を迎えることになるでしょう。」

DOE Office of Science, Office of Nuclear Physicsが本研究を支援しました。

Reviews of Modern Physics誌に『Large-Mentum Effective Theory』と題して掲載されました。

Zhao氏のほか、Xiangdong Ji氏(メリーランド大学)、Yizhuang Liu氏(ヤギェウォ大学)、Yu-Sheng Liu氏(上海交通大学)、Jian-Hui Zhang(北京師範大学)らが執筆しています。

Published by Argonne National Laboratory. Xiangdong Ji et al, Large-momentum effective theory, Reviews of Modern Physics (2021). DOI: 10.1103/RevModPhys.93.035005
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