STAR Highlights II: Study of Small Systems and the Search for New, Exotic Physics

25年間にわたり、科学者たちは、ビッグバンからわずか百万分の一秒後の宇宙に存在した条件を再現するために、重い原子核を光速に近い速度で衝突させてきました。相対論的重イオン衝突器（RHIC）として知られる巨大な粒子加速器の中で作り出されるこの極限環境は、通常の物質を構成する陽子と中性子を溶かすほど高温かつ高密度です。これらの粒子が溶けると、「クォーク・グルーオン・プラズマ」と呼ばれる新しい状態の物質が形成されます。これは、摩擦がほとんどなく流動する基本粒子のスープです。研究者たちは、このプラズマがどのように振る舞うかを研究することで、宇宙を繋ぎ止めている基本的な力を理解したいと考えています。物理学者にとっての重要な問いは、このエキゾチックで流体のような状態の物質が形成されなくなる前に、衝突が具体的にどの程度小さくなれるのかを特定することでした。プラズマには、2つの重い金原子による大規模な衝突が必要なのか、それとも単一の陽子と重い原子核とのより小さな衝突からも出現し得るのでしょうか。

衝突器内の大型検出器を運用している研究グループ、STARコラボレーションによる最近の報告は、これらの問いに答え、亜原子世界の他の謎を探求するために、25年間のデータを包括的に検証したものです。チームは、微小な陽子から重いウラン原子に至るまで、数十種類の異なる原子種の組み合わせを用い、幅広いエネルギーレベルにわたる衝突を分析しました。彼らの研究は、条件さえ整えば、非常に小さな衝突システムにおいても、この高温の流体プラズメントの兆候が現れることを裏付けています。また、彼らは原子核の内部構造を測定する新しい方法を発見し、一瞬だけ存在して崩壊するエキゾチックな粒子の証拠も見出しました。

最も重要な発見の一つは、このプラズマを作り出すために必要なシステムの規模に関するものです。長年、科学者たちは、大規模な衝突で見られる流体のような振る舞いが、真の物質の相（フェーズ）なのか、それとも独立した粒子の相互作用の集まりに過ぎないのかについて議論してきました。STARチームは、過去に使用されてきた金対金の衝突よりもはるかに小さいシステムである、酸素原子核同士の衝突を用いることで、この調査を行いました。彼らは、プラズマが形成されたことを示すいくつかの明確な兆候を観察しました。まず、高エネルギー粒子が媒体を通過する際に減速される現象、いわゆる「ジェット・クエンチング」を観察しました。また、特定の重い粒子が生成されない（抑制される）ことも確認されており、これは激しい熱によって粒子が破壊されていることを示唆しています。さらに、衝突から放出される放射は、高温のプラズマと一致する温度を示しており、ストレンジ粒子の生成は流体媒体の予測に一致する形で増加していました。これらの酸素衝突を、水素の軽い同位体である重水素を用いた衝突と比較したところ、流体としての振る舞いは衝突する原子核の形状や内部構造に依存することが分かり、この信号がランダムな偶然ではなく、物質の集団的な応答に由来することを裏付けました。

プラズマそのもの以外にも、研究者たちはこれらの衝突を利用して、不安定な原子核の束の間の存在を研究しました。低エネルギーの衝突において、彼らは極めて不安定で即座に崩壊するリチウム同位体の生成を測定することに成功しました。これらの短寿命の粒子が周囲の密な物質とどのように相互作用するかを追跡することで、チームは原子核がより小さな断片からどのように構築されるかについての理論をテストすることができました。彼らは、短寿命の粒子がより安定した粒子よりも少ない数で生成されることを見出しましたが、これは、これらの原子核の形成と周囲の環境による破壊との間の競争を直接反映した結果です。別個のエキゾチック物質の探索では、チームは、ミューオン（電子の重い従兄弟）がハドロンの周りを回る希少な構造である「ミューオン原子」を探しました。彼らは衝突の破片の中にこれらの原子の明確な信号を見出し、直接検出することが不可能なソフト・ミューオンの生成を研究するための新しい手法を提供しました。

この研究は、粒子のスピン、すなわち固有の回転についても深く掘り下げており、これは量子真空に関する深い秘密を明らかにする特性です。チームは、ストレンジ・クォークとその反粒子からなる粒子であるファイ中間子のスピンの整列を測定しました。粒子が崩壊する際の完全な二次元分布を分析することにより、彼らはスピン行列の非対角要素にゼロではない信号を検出しました。これは、クォークと反クォークのスピンが特定の 방식으로 相関していることを示しています。この相関の起源を理解するために、彼らはこれを陽子衝突におけるラムダ・アンチラムダ対の測定と比較しました。そこでは強い相関が見られ、量子真空が粒子が生成される際にその構造を粒子に刻み込むことを示唆しています。チームは現在、この相関が重イオン衝突の高温プラズマの中でも生き残っているかどうかを確認する作業を進めており、もし生き残っていれば、極限の熱が真空の構造を溶かしてしまうのか、あるいはそれが持続するのかを明らかにすることになります。

最後に、研究者たちはこれらの衝突によって生成される物質の流れを測定する新しい方法を開発しました。彼らは、衝突ごとに粒子の平均運動量がどのように変動するかを調査し、これにより初期の火の玉のサイズがどのように変化するかを明らかにしました。これらの測定により、クォーク・グルーオン・プラズマ内の音速を推定することができました。音速は、媒体がどれほど硬いか、あるいは圧縮しやすいかを表す値です。彼らの結果は、音速が温度とともに変化することを示しており、これは格子量子色力学からの理論計算と一致しています。また、粒子の流れ方は質量に依存し、重い粒子ほど膨張する流体からより多くの運動量を得ることも発見されました。このパターンは、彼らが研究したすべての異なる衝突システムにおいて成立していました。このプラズメントの特性の詳細なマッピングは、宇宙の最初期の瞬間において宇宙がどのように振る舞っていたかについてのより鮮明な絵を提供し、今後数十年にわたる新たな発見への舞台を整えるものです。