クォークグルーオンプラズマ

クォークグルーオンプラズマ：宇宙誕生の謎に迫る極限状態

クォークグルーオンプラズマ（Quark-Gluon Plasma、QGP）は、クォークとグルーオンという素粒子からなる、高温高密度なプラズマ状態です。通常の物質とは異なり、クォークはハドロン（陽子や中性子など）に閉じ込められていますが、QGP状態ではクォークとグルーオンが自由に動き回っています。

この状態は、1975年にCollinsとPerry、そしてカビボとParisiによって、それぞれ高密度状態と高温状態におけるクォークの解放が予言されました。量子色力学(QCD)に基づく理論計算によると、QGPは、約10¹²K以上の高温、もしくは通常の核子の密度のおよそ10倍以上の高密度状態において実現すると予測されています。

宇宙論の観点からは、ビッグバン直後の初期宇宙は、このQGP状態であったと考えられています。また、中性子星の内部も、QGP状態が存在する可能性があります。しかし、これらの環境を地球上で再現することは困難です。そこで、科学者たちは、高エネルギーの重イオンを衝突させることで、極めて短時間ですが、QGP状態を人工的に作り出すことに挑戦しています。

QGPの研究：加速器実験の成果

QGPの研究は、ブルックヘブン国立研究所(BNL)の相対論的重イオン衝突型[加速器]や、[欧州原子核研究機構]の大型[ハドロン]]衝突型加速器]といった、世界最高レベルの[[加速器を用いた実験によって進められています。RHICの実験では、高温高密度物質に関する多くの新しい知見が得られましたが、それらがQGPによるものだと断定するには至っていませんでしたが、2005年の報告では、QGPが粘性のない「完全流体」であると仮定したモデルと実験結果が矛盾しないことが示されました。これは、QGP中の粒子が強く相互作用しあっていることを示唆しています。

LHCにおけるATLAS、CMS、ALICE実験では、より高エネルギーでの衝突実験が行われ、QGPの性質に関するより詳細な情報が期待されています。これらの実験により、QCDに基づいたQGPの理解が深まることが期待されています。

QGPの理論的性質：状態方程式

QGPの熱力学的性質を理解するために、状態方程式（圧力、エネルギー密度、エントロピー密度などの関係式）を導出することが重要です。単純化のため、クォークの質量をゼロと仮定すると、低温ではパイ中間子、高温ではクォークとグルーオンの自由な気体として近似できます。

低温・高温の極限では、統計力学を用いて状態方程式を導くことができます。ハドロンガスでは、圧力P、エネルギー密度ε、エントロピー密度sは温度Tの4乗、3乗に比例します。QGPでは、MITバッグ模型を用いると、圧力にはバッグ定数Bというパラメータが導入され、これは真空のエネルギー密度差を表します。ハドロンガスとQGPの圧力が等しくなる温度が、相転移温度Tcとなります。この温度は、バッグ定数Bの値に依存し、約160MeVと推定されています。

実際には、転移温度付近での相互作用は複雑で、摂動論的な計算では正確に扱うことができません。そこで、格子QCDという数値計算手法を用いて、第一原理から状態方程式を計算するアプローチが用いられています。格子QCD計算では、転移温度付近でエントロピー密度が急激に増加し、圧力が連続的に増加することが示されています。高温極限では、圧力は理想気体の値よりわずかに小さくなります。これは、クォークとグルーオンの相互作用効果を表しています。

QGPの探査：高エネルギー重イオン衝突実験

QGPの直接的な証拠を得るために、世界中の研究施設で高エネルギー重イオン衝突実験が行われています。これには、LBLのベバトロン、GSIのSIS、BNLのAGS、CERNのSPS、そして現在も稼働しているBNLのRHICとCERNのLHCなどが含まれます。これらの実験では、QGP生成の証拠となる様々な現象が探査されています。

例えば、ハドロンの平均横運動量の増加、ハンブリー・ブラウン＝トゥイス効果、ストレンジクォークやチャームクォークの生成増加、ジェットの抑制、クォーコニウムの抑制、熱的な光子やレプトンの増加などが挙げられます。これらの現象の観測から、QGPの性質に関する貴重な情報が得られています。

数多くの研究者たちが、理論と実験の両面からQGPの研究に取り組んでおり、その成果は宇宙の進化や物質の根源的な理解へと繋がる、重要な知見となります。

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