⚛️ nuclear experiments

Observation of partonic flow in proton-proton and proton-nucleus collisions

本論文は、LHCにおける高多重度陽子陽子衝突および陽子鉛衝突における異方性フロー内での特徴的なバリオン・メソン・グルーピングの初観測を報告するものであり、これはこれらのより小さな衝突系において、クォーク・グルーオン・プラズマと一致するパートン流動系が形成されていることの強力な証拠を提供するものである。

原著者： ALICE Collaboration

公開日 2026-09-25

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CC BY 4.0

原著者： ALICE Collaboration

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ビッグバン直後の宇宙は、今日私たちの世界を構成しているような固体の原子でできていたわけではありませんでした。その代わりに、宇宙はクォークとグルーオンと呼ばれる基本粒子の、沸き立つような超高温のスープでした。これらの粒子は、通常は陽子や中性子を形成するために結合していますが、クォーク・グルーオン・プラズマとして知られる状態の中で自由に浮遊していました。宇宙が冷却されるにつれ、このプラズメントは今日見られるハドロンへと凍結しました。この転移がどのように起こったのかを理解するために、科学者たちは重い原子核を光速に近い速度で衝突させることで、これらの極限状態を再現しています。これら大規模な衝突が発生すると、この原始的なプラズマの、微小で束の間の滴が生成されます。研究者たちは、これらの衝突から粒子がどのように飛び出していくかを研究することで、プラズマがどのように振る舞うのか、具体的には、粒子がランダムに散乱するのではなく、協調的で流体のような方法で共に動いているという兆候を探っています。

数十年の間、この協調的な動き、すなわち「フロー（流れ）」は、大量の粒子が存在することで大規模な液体状の滴が形成されたことを示唆する、重イオンを用いた衝突においてのみ観察されてきました。しかし、近年、科学者たちは、単一の陽子と鉛核の間、あるいは陽子同士の間のような、より小さな衝突においても奇妙な類似性に気づきました。これらの極めて小さなシステムは、流体を形成するほど大きくはないと考えられていました。問題は、これらの小さな衝突も微小なクォーク・グルーオン・プラズマを生成しているのか、それとも観察されたパターンは全く別の何かに起因しているのかということでした。大型ハドロン衝突型加速器におけるALICEコラボレーションは、これら最小の衝突においても、流体のような状態の物質が実際に形成されるという、これまでで最も明確な証拠を提供しました。

研究者たちは、驚くほど多くの粒子を生み出す「高多重度イベント」に焦点を当て、粒子がより少ない「低多重度イベント」と比較しました。彼らは、5.02テラ電子ボルトのエネルギーでの陽子と鉛核の衝突、および13テラ電子ボルトでの2つの陽子の衝突から得られたデータを分析しました。混沌を整理するために、彼らは粒子を、2つのクォークからなるメソン（中間子）と、3つのクォークからなるバリオン（重粒子）という2つの主要な家族に分類しました。そして、それらの粒子が衝突点から外側へ移動する際にどのように分布しているかを測定しました。膨張する流体の中では、重い粒子は低速時において軽い粒子とは異なる動きをする傾向がありますが、チームはこのパターンをこれらの微小な衝突においても確認できることを実証しました。

最も重要な発見は、中間速度で移動する粒子に着目した際に得られました。この範囲において、チームはバリオンとメソンの振る舞いの間に明確な分離を発見しました。バリオンはメソンよりも強い協調的なフローを示しました。この特定のグループ化は、粒子が流れるクォークの組み合わせによって形成されるシステムの特徴です。人々が協調した波のように動く群衆を想像してください。もしその波が個々の人間によって作られているなら、3人組のグループは2人組のグループとは異なる振る舞いを見せるはずです。同様に、3つのクォークからなるバリオンと2つのクォークからなるメソンが異なるフローパターンに分かれるという事実は、私たちが検出する粒子へと組み合わさる前に、個々のクォークのレベルでフローが発生したことを示唆しています。

この解釈を裏付けるために、チームは洗練されたコンピュータモデルと比較を行いました。流れるクォーク・グルーオン・プラズマに続いてクォークが粒子へと結合するという物理学を含む一つのモデルは、観察されたパターンを再現することに成功しました。このモデルは、陽子・鉛衝突と陽子・陽子衝突の両方のデータと一致しました。対照的に、流体相を含まずに結果を説明しようとしたり、あるいはストリング（弦）のような相互作用といった異なるメカニズムに依存したりした他のモデルは、この特定のバリオンとメソンの分離を捉えることができませんでした。これらの代替モデルは、なぜ3つのクォークを持つ粒子が2つのクォークを持つ粒子よりも強く流れるのかを説明できなかったのです。

この研究は、現象を測定する方法に関する以前の不確実性にも対処しました。小さなシステムにおけるこれらのパターンを見つけようとする以前の試みは、しばしば無関係な粒子相互作用による「ノイズ」によって混乱させられてきました。ALICEチームは、このノイズをフィルタリングするための精緻な手法を用い、測定された信号が真にシステムの集団的な運動に由来することを保証しました。実際のフローを背景効果から注意深く分離することで、彼らはバリオン・メソンのグループ化が、両方のタイプの小さな衝突において高い統計的確実性を持って現れる、堅牢な特徴であることを示しました。

この研究は、クォーク・グルーオン・プラズマの形成が、重イオンの大規模な衝突に限定されないことを示唆しています。たとえ陽子同士の最も小さな衝突であっても、十分なエネルギーが狭い空間に詰め込まれれば、微小な原始的流体の滴が形成され、膨張することができます。これらの知見は、流体のクォークから固体の物質への転移は、衝突する物体の大きさに関わらず、適切な条件が整えば起こる、高エネルギー衝突における根本的な特性であることを示しています。これらの結果は、初期宇宙の振る舞いを支配する法則が、今日の研究所で行われている微視的で高速な衝突においても適用されるという強力な論拠を提供しています。

技術要約：陽子–陽子および陽子–原子核衝突におけるパートン流動の観測

問題と背景
量子色力学（QCD）は、高エネルギー密度において、ハドロン物質からクォークとグルーオンの非閉じ込め状態であるクォーク–グルオン・プラズマ（QGP）への相転移が起こることを予測している。この状態は、伝統的に超相対論的重イオン衝突によって生成される。QGP形成の鍵となるシグネチャは、異方的な流動、特に中間横運動量（ $p_T$ ）におけるバリオンとメソンの楕円流（ $v_2$ ）係数の特徴的なグルーピングである。重イオン衝突において、この現象は、集団的に流動するパートン媒体からのクォーク合体（coalescence）によるハドロン形成の証拠として解釈されている。

しかし、小さな衝突系（陽子–陽子および陽子–原子核）において、長距離方位角相関や質量依存の $v_2$ といったQGP的な特徴が観測されたことは、これらの環境におけるQGP形成に関する議論を巻き起こしている。小規模な系における先行研究では、バリオン–メソンの $v_2$ 分裂に関して曖昧な結果が得られていた。一部の研究では、非流動（non-flow）効果（共鳴崩壊やジェットによる相関）の分離の困難さ、あるいは非流動の寄与を過大評価してしまう可能性のある減算手法の使用により、明確なグルーピングの観測に失敗していた。本研究が取り組む中心的な問題は、LHCにおける高多重度（HM）の陽子–鉛（p–Pb）および陽子–陽子（pp）衝突で生成された系が、重イオン衝突で見られるものと同様に、流体力学的に流動するパートンの相を経由しているかどうかを判断することである。

手法
ALICEコラボレーションは、LHCのRun 2（2016–2018年）中に収集された、 $\sqrt{s} = 13$ TeVのpp衝突および $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeVのp–Pb衝突のデータを解析した。

イベント選択: イベントは高多重度（HM）および低多重度（LM）クラスに分類された。HMイベントは、V0検出器の振幅分布の上位0.07%（pp）または0–20%（p–Pb）に基づいて選択され、さらに、両方の系で平均多重度（ $\langle N_{ch} \rangle \approx 35$ ）を同等にするために、中間ラピディティ（ $|\eta| < 0.8$ ）における再構成された荷電粒子数（ $N_{ch}$ ）に関する追加条件が課された。
粒子識別: 同定されたハドロンには、メソン（ $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ）およびバリオン（ $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ）が含まれる。識別は、高純度を確保するためにベイズ法を用い、時間投影チャンバー（TPC）における比エネルギー損失（$dE/dx$）および飛行時間（TOF）の情報を用いて行われた。
流動測定: 楕円流係数 $v_2$ は、二粒子相関（2PC）法を用いて測定された。非流動効果を抑制するため、トリガー粒子（中間ラピディティの同定ハドロン）と参照粒子（前方または後方のラピディティ領域）の間に、大きな擬ラピディティ分離（ $|\Delta\eta| > 1.1$ ）を課した。
非流動抑制: 流動信号を抽出するために、テンプレートフィット法が採用された。主に非流動効果を含むと仮定されるLMイベントからの相関関数を、HM相関関数をフィットするためのテンプレートとして使用した。この手法により、残留非流動寄与は低 $p_T$ で約6%、高 $p_T$ では1%未満に低減された。
理論比較: 結果は、粘性流体力学（低 $p_T$ 用）、クォーク合体（中間 $p_T$ 用）、および断片化を伴う線形ボルツマン輸送（高 $p_T$ 用）を組み合わせたハイブリッドモデルであるHydro-Coal-Fragモデルと比較された。また、Hydro-Frag（合体なし）、AMPT、およびPYTHIA 8のバリアントを含む代替モデルも検討された。

主な結果

バリオン–メソンのグルーピング: 高多重度のp–Pbおよびpp衝突の両方において、中間 $p_T$ （ $3.0 < p_T < 8.0$ GeV/c）で明確な $v_2$ の分離が観測された。バリオン（ $p+\bar{p}, \Lambda+\bar{\Lambda}$ ）の $v_2$ 値は、メソン（ $\pi^\pm, K^\pm, K^0_S$ ）よりも約 $5\sigma$ 有意に大きかった。それぞれのカテゴリー内では、バリオンとメソンは $1\sigma$ 以内にグルーピングされている。
質量順序と交差: 低 $p_T$ （ $p_T < 2.0$ GeV/c）において、質量順序（重い粒子ほど $v_2$ が低い）が観測され、これは径方向流（radial flow）と一致している。 $p_T \approx 2.0\text{--}3.0$ GeV/c付近で、 $v_2$ の曲線は異なる粒子種間で交差し、質量順序からバリオン–メソンの分裂パターンへと移行する。
系の類似性: 小規模な系における $v_2$ グルーピングの大きさおよび $p_T$ 依存性は、半中央のPb–Pb衝突で観測されるものと定性的に類似しているが、 $v_2$ の絶対値はより小さな系では小さい。
モデル比較:
- Hydro-Coal-Fragモデル（パートン流動に続くクォーク合体によるハドロン化を含む）は、p–Pbおよびpp衝突の両方において、最大 $p_T \approx 6\text{--}8$ GeV/cまでのデータに見られるバリオン–メソンのグルーピングと分裂を正常に再現した。
- Hydro-Fragモデル（合体なし）は、分裂を再現できず、中間 $p_T$ における $v_2$ を過小評価し、質量順序または逆の順序のみを示した。
- AMPT（ストリング融解）やストリング・シュバビング（string shoving）を伴うPYTHIA 8などの他のモデルは、観測された分裂を生成できないか、あるいはデータと矛盾する負の流動係数を生成した。

意義と主張
本論文は、高多重度のppおよびp–Pb衝突における特徴的なバリオン–メソンの $v_2$ グルーピングの観測が、これらの小さな衝突系において、流体力学的に流動するパートンからなる系の形成の証拠を提供すると主張している。これらの結果は、重イオン衝突におけるQGPと同様に、パートン相によって駆動されるクォーク合体によるハドロン形成のメカニズムが、高多重度の小規模系においても活性であることを示唆している。

著者は、過去の小規模系における不一致は、不適切な非流動減算手法に起因していた可能性が高いと強調している。堅牢なテンプレートフィット法と大きな $|\Delta\eta|$ 分離を用いることで、本解析は集団的な流動信号を孤立させ、パートン的な集団性を裏付けるパターンを明らかにしている。データの成功的な記述、およびクォーク合体またはパートン流動を欠くモデルの失敗は、LHCにおける高多重度の陽子–陽子および陽子–原子核衝突においても、非閉じ込められた集団的に流動する媒体が形成されているという解釈を支持している。

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