Centrality dependence of strange particle production in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV

宇宙をその最も根本的なレベルで理解するために、物理学者は、物質が極めて強力な力で押しつぶされ、原子の構成要素そのものが溶け去ってしまう時に何が起こるのかを研究しています。通常の状態では、陽子や中性子はクォークと呼ばれるより小さな粒子からできており、それらは互いに非常に強く結合しているため、単独で存在することはできません。しかし、非常に狭い空間に十分なエネルギーが集中すると、この「糊」は溶け去ります。クォークと、それらの間の力を媒介する粒子であるグルオンは自由になり、「クォーク・グルオン・プラズマ」として知られる新しい状態の物質を形成します。この状態は、ビッグバンの直後の、ほんの一瞬の間存在していたと考えられています。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、この極限環境を再現しています。これらの衝突からどのような粒子が放出されるかを観察することで、研究者たちはこの原始のスープがどのように振る舞い、どのように冷却され、そして最終的に今日の私たちの世界を構成する物質へとどのように再構築されるのかを学ぶことができるのです。

この分野における重要な問いの一つは、このプラズマの中でどのように「ストレンジ（奇妙な）」粒子が生成されるかという点です。標準的な原子の世界では、「ストレンジ」クォークを含む粒子は稀であり、生成するのが困難です。しかし、高温高密度のクォーク・グルオン・プラズマ内では、理論によれば、ストレンジ・クォークは通常の衝突よりもはるかに容易に、かつ大量に生成されるはずです。この現象は「ストレンジネス増強（strangeness enhancement）」として知られ、この特別な状態の物質が形成されたことを証明するために科学者が探してきた特徴的な兆候です。長年、研究者たちは重い原子核同士の大きな衝突においてこの効果を確認してきましたが、単一の陽子と重い原子核との衝突のような、より小さな衝突についても調べ始めたとき、物語は複雑になりました。驚くべきことに、衝突が十分に激しければ、これらの小さな衝突においてもストレンジ粒子が現れたのです。これにより、新たな疑問が生じました。これらの粒子の生成は、衝突する物体の大きさに左右されているのか、それとも単に衝突によって生成される粒子の数によって決まっているのか、という疑問です。

これに答えるため、欧州の大型ハドロン衝突型加速器にあるALICEコラボレーションは、鉛・鉛衝突から得られた膨大なデータセットを分析しました。これらの衝突は、2015年から2018年に行われた加速器の第2期運転の主要な記録である、核子対あたり5.02 TeVという極めて高いエネルギーで行われました。チームは、ストレンジ・クォークを含む特定の粒子のファミリーに焦点を当てました。彼らは、中性カオンやラムダ・バリオンのような単一のストレンジ粒子だけでなく、それぞれ2つまたは3つのストレンジ・クォークを含むカスケードやオメガのような多重ストレンジ粒子も調査しました。2億8000万件の衝突イベントを含む全データセットを用いることで、研究者たちは、幅広い衝突の「セントラリティ（中心度）」にわたって、これら未知の粒子を前例のない精度で測定することができました。セントラリティとは、衝突がいかに正面衝突に近いかを表すものです。中心的な衝突は直接的な正面衝突ですが、周辺的な衝突はかすめるような衝突です。これにより、チームは衝突の激しさが最も極端な状態から最も穏やかな状態まで変化するにつれて、粒子の生成がどのように変化するかを見ることができました。

研究者たちは、これらのストレンジ粒子の振る舞いが、衝突のセントラリティに応じて劇的に変化することを発見しました。最も激しい中心的な衝突では、周辺的な衝突と比較して、粒子はより高い平均速度とより広い運動量の広がりを持って出現します。これは、最もエネルギーの高い衝突においては、生成された物質が、まるで絞り出される流体のように、強い集団的な押し出しによって外側へと膨張していることを示唆しています。ストレンジ・バリオンとストレンジ・中間子の比率を見たとき、彼らは中間的な速度において明確なピークを確認しました。このピークは、周辺的な衝突と比較して、中心的な衝突ではより高く、より高い速度へとシフトしていました。このパターンは、熱く高密度な物質が流体のように振る舞い、軽い中間子よりも重いバリオンをより効果的に高い速度へと押し出すという考えと一致しています。

おそらく最も重要な発見は、これらの結果がより小さな衝突系とどのように結びついているかという点です。チームは、自らの鉛・鉛のデータと、陽子・陽子衝突および陽子・鉛衝突からの過去の結果を比較しました。彼らは、ストレンジ粒子の生成量をイベント中に生成された全荷電粒子数に対してプロットしたところ、3種類の衝突すべてのデータが、単一の滑らかな曲線上に重なることを発見しました。衝突が2つの重い原子核の間であれ、陽子と原子核の間であれ、あるいは2つの陽子の間であれ、ストレンジ粒子の生成は、衝突する物体の大きさや種類ではなく、ほぼ完全にイベントの総活動量に依存していました。この滑らかなつながりは、これらの粒子の生成を駆動するメカニミングが普遍的であることを示唆しています。つまり、ある一定の活動レベルに達すれば、それが小規模な衝突によって形成されたものであっても、大規模な衝突によって形成されたものであっても、システムは同様に振る舞うということです。

また、この研究では、これらの衝突の複雑な物理学をシミュレートしようとするEPOS 4と呼ばれるコンピュータモデルのテストも行われました。このモデルは、粒子の速度が衝突のセントラリティとともにどのように変化するかや、ストレンジ粒子の生成の全体的なパターンを含む、データに見られる一般的な傾向を再現することに成功しました。しかし、モデルはあらゆる細部においてデータと完全に一致したわけではありませんでした。モデルは、実際に測定されたものよりも粒子の速度をわずかに低く予測する傾向があり、また、激しさが劣る衝突におけるストレンジ粒子のピークの強さを過大評価しました。これらの小さな不一致はあるものの、モデルがデータの広範な特徴を捉えることができたという事実は、これらのシステムがどのように進化するかについての現在の理解を強力に支持するものです。

結局のところ、この研究は、ストレンジ粒子の生成が衝突する物体の幾何学的形状ではなく、衝突の密度によって支配されていることを裏付けています。かつては大きな原子核におけるクォーク・グルオン・プラズマの独特な兆候と考えられていたストレンジ粒子の増強は、粒子が高密度に生成されるのに十分なエネルギーが集中した場合にはいつでも起こり得る、より一般的な現象であるようです。結果は、小さな衝突系から大きな衝突系への移行がシームレスであり、粒子の振る舞いに突然の飛躍や断絶がないことを示しています。これは、理論モデルに対する強力なテストを提供し、宇宙の最も極限の状態における物質の振る舞いに関する理解を深めるものです。これらの知見は、これらエキゾチックな粒子の生成を支配する規則が異なるスケール間で一貫していることを示唆しており、宇宙の初期の瞬間における基本的な力の姿をより鮮明に描き出しています。