Multiplicity dependence of two-particle angular correlations of identified particles in pp collisions at $\mathbf{\sqrt{s} = 13}$ TeV

宇宙の中心、物質がその最も基本的な構成要素へと削ぎ落とされる場所で、科学者たちは粒子がいかにして誕生し、互いに衝突したときにどのように振る舞うのかを研究している。2つの陽子が光速に近い速度で衝突するとき、それらは単に跳ね返るのではなく、新しい粒子のシャワーへと砕け散る。パイオン、カオン、陽子を含むこれらの粒子は、あらゆる方向に飛び出していく。これらの粒子が互いに対してどのような角度で出現するかを測定することで、物理学者はその生成を支配していた目に見えない力や規則を再構築することができる。それは、壊れた花瓶の破片を観察することで、その花瓶がどのように組み立てられたかを理解しようとするようなものだが、量子力学の法則やエネルギーや電荷といった基本量の保存則が結果を左右する、極めて微小なスケールでの出来事である。数十年にわたり、研究者たちはこれらの衝突を利用して宇宙の仕組みに関する理論を検証してきたが、バリオンと呼ばれる重い粒子に関する特定のパターンは、頑固なほど説明が困難なままであった。

CERNの大型ハドロン衝突器におけるALICEコラボレーションによる新しい研究は、これらの粒子衝突を新たな視点から捉え、今回は、単一の衝突で生成される粒子の数が、それらの相互関係をどのように変化させるかに焦点を当てた。研究者たちは、13テラ電子ボルトという、前例のない詳細さで亜原子の世界を探索することを可能にする記録的なエネルギーでの陽子陽子衝突のデータを分析した。彼らは数十億回の衝突を分析し、生成された荷電粒子の数に基づいて、粒子が非常に少ない静かな衝突から、非常に多くの粒子が生成される極めて多忙な衝突に至るまで、イベントごとにグループ分けした。各グループにおいて、彼らは粒子のペア間の角度距離を測定し、特に、2つの陽子のような同じ種類の粒子が、近くに現れる頻度と遠くに現れる頻度の違いを調査した。

最も驚くべき発見は、陽子やバリオンとして知られる他の重い粒子のペアに関するものである。過去の実験では、2つの陽子が同じ衝突の中で生成されるとき、衝突の方向に互いに近くに現れるのを避ける傾向があることが指摘されていた。粒子が密集する代わりに、それらは明確な「反相関」を示しており、つまり、ランダムな確率が示唆するよりも、互いの近くで見つかる可能性が低いのである。この論文は、この不可解な回避現象が、静かな衝突から激しい衝突に至るまで、あらゆるタイプの衝突において起こることを裏付けている。さらに、研究者たちは、衝突によって生成される粒子の密度が高くなるほど、この回避現象がより顕著になることを見出した。この挙動は、これらのイベントをシミュレートするために使用されている現在のコンピュータモデルに疑問を投げかけている。なぜなら、現在のモデルは、粒子が密集するか、あるいはそのような強い分離傾向を示すことはないという予測を一般的に立てているからである。

なぜこれが重要なのかを理解するには、関与している異なる種類の粒子を見る必要がある。研究では、これら高エネルギー衝突の主要な生成物であるパイオン、カオン、および陽子を調査した。研究者がパイオンやカオンのペアを調べたところ、その結果は既存の理論とよく一致した。これらの軽い粒子は、粒子の小さなジェットの生成や粒子自身の量子的な性質によって引き起こされる、衝突の方向に集まる傾向を示した。しかし、陽子は異なる物語を語った。軽い粒子が予想通りに振る舞った一方で、陽子は一貫して互いの近くに留まることを拒んだ。この「近傍側」での回避はすべての多重度クラスで観察されており、これは、陽子が近くにいるのを防ぐメカニズムが、特定の種類のイベントによる偶然の産物ではなく、これらの衝突における物質生成の根本的な特徴であることを示唆している。

研究者たちはまた、真の物理現象を隠してしまう単純な数学的効果を取り除くために、データの新しい分析手法を導入した。従来の研究では、相関の測定方法によって、粒子が少ない衝突ほど効果が強く見えるようになっていた。このスケーリング因子を除去するために手法を調整することで、チームは、陽子の回避の真の強さが、衝突における粒子数の増加に伴って実際に増大するという事実を明らかにした。この発見は極めて重要である。なぜなら、これは、一つの陽子の生成が近くの別の陽子の生成に影響を与えるという複雑な環境を示唆しているからである。データは、エネルギーの紐（ストリング）が壊れて粒子を形成するという確立された理論に基づいた現在のモデルが、重要な要素を見落としていることを示唆している。これらのモデルは、実験で観察された強い回避を再現できず、バリオンがどのように形成され、どのように相互作用するかについての私たちの理解が不完全であることを示している。

研究者たちが自らの測定値を4つの異なるコンピュータモデルの予測と比較したところ、結果はまちまちであった。モデルは、より軽いパイオンやカロンの挙動については、相関の一般的な形状を捉えており、まずまずの記述を行っていた。しかし、観察された陽子の回避という特定のパターンを正確に再現できたモデルは一つもなかった。あるモデルは陽子が密集すると予測し、別のモデルは全く強いパターンを示さなかった。粒子の複雑な相互作用を考慮しようとする最も洗練されたモデルでさえ、実験データとの一致には至らなかった。このシミュレーションと現実の間のギャップは、粒子生成に関する理論的理解における重大な盲点を浮き彫りにしている。

研究はまた、陽子と反陽子のような、異なる種類の粒子同士の相関についても調査した。これらの場合、粒子は異なる挙動を示し、多くの場合、特定の物理的性質を保存するためにペアで生成されるという考えと一致して、より近くに現れる傾向があった。この対比は、陽子・陽子ペアで見られる回避現象が、同一のバリオンに特有のユニークな現象であることをさらに強調している。研究者たちは、この挙沢が、多数の粒子が同時に生成されるほど高密度な環境を創り出すほどの高い衝突エネルギー下においても持続することに注目した。これは、これらの相互作用を支配する規則が堅牢であり、最も混沌とした条件下でも消失しないことを示唆している。

結局のところ、この研究は、亜原子の世界のモデルを洗練させようとしている理論家にとって、極めて重要な指針となるものである。データは明確な目標を提供している。すなわち、成功する理論とは、なぜ陽子がこれらの衝突において互いを避け、なぜこの効果が衝突が混雑するにつれて強まるのかを説明できなければならないということである。研究結果は、数十年にわたって成功してきた粒子生成のシミュレーション手法には、バリオンの回避を説明するための新しいメカニズムを含めるように更新する必要があることを示唆している。これがエネルギーの紐が壊れる際の新しい規則によるものか、あるいはクォーク間の量子相互作用へのより深い理解によるものかは別として、進むべき道はこれらの精密な測定によって照らされた。この研究は、バリオン生成の謎を解明したと主張するものではないが、問題の性質を確固たるものにし、実験コミュニティが知識の境界をさらに押し広げるために必要な道具を提供したのである。