陽子は何を隠していますか？

20年前、物理学者は陽子の内部構造の不思議な非対称性を調査し始めました。2021年2月末に発表された彼らの研究の結果は、反物質が各原子の核を安定させるのにどのように役立つかを説明しています。

陽子（原子の中心にある正に帯電した粒子）が部分的に反物質であると言われることはめったにありません。



学校では、陽子はクォークと呼ばれる3つの素粒子のグループであると言われました。2つのuクォーク（上）と1つのdクォーク（下）で、それぞれ電荷が+2/3と-1/3です。陽子を合計すると+1の電荷があります。しかし、この初歩的な絵の背後には、はるかに奇妙で未解決の物語があります。





遠くから見ると、陽子はクォークと呼ばれる3つの粒子で構成されているようです。しかし、よく見ると、たくさんの粒子が現れたり消えたりして



いるのがわかります。実際、6種類のクォークの数が変化する渦、反物質（反クォーク）とグルーオンからの反対に帯電した対応物、基本的な質量のない粒子他の粒子を結合し、プロトンの内部で変換され、それらの中で急速に増殖します。どういうわけか、この泡立つ渦は完全に安定していて、一見単純に見え、特定の側面ではクォークのトリオを模倣していることがわかりました。イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所の核物理学者であるドナルド・ギサマンは、次のように述べてい ます。



30年前、研究者たちはこの「陽子の海」の印象的な特性を発見しました。理論家たちは、さまざまな種類の反物質がその中に均等に分布すると予想していましたが、下部の反クォークの数が上部の反クォークの数を大幅に上回っているようでした。その後、10年後、別の研究者グループが、上部と下部の反クォークの比率に説明のつかない変動があることに気づきました。しかし、これらの結果は実験の感度の危機に瀕していた。



それで20年前、ドナルド・ギサマンと彼の同僚の ポール・ライマーは、この問題をよりよく理解するために新しい実験に取り組み始めました。 SeaQuestと呼ばれる実験はついに終わり、研究者たちはそれを発表しました 結果誌ネイチャーに。彼らは陽子の固有の反物質をこれまで以上に徹底的に測定し、各上部反クォークについて、平均して1.4個の下部反クォークがあることを発見しました。





Samuel Velasco / Quanta Magazine



これらのデータは、陽子海の2つの理論モデルを直接サポートしています。 「これは、これらのモデルをサポートする最初の実際の証拠です」とReimer氏は述べています。



1つは パイ中間子雲モデルで、中間子と呼ばれる粒子のグループに属するパイ中間子と呼ばれる粒子を放出および再吸収する陽子の傾向を強調する、何十年も前から存在している人気のあるアプローチです。第二に、いわゆる 統計モデルは、陽子をガスで満たされた容器と見なします。



さらに計画された実験は、研究者がこれら2つのモデルのいずれかを選択するのに役立ちます。しかし、どちらが正しいとしても、SeaQuest陽子固有の反物質データセットは、特に大型ハドロン衝突型加速器でほぼ光速で陽子を衝突させる物理学者にとって、すぐに役立つでしょう。衝突する物体の組成に関する正確な情報があれば、衝突後に残った生成物をより効率的に分解して、新しい粒子や効果の存在の証拠を探すことができます。 フアン・ロホ LHCデータの分析を支援するアムステルダム自由大学の研究者は、SeaQuest実験の結果が、現在「構造に関する知識によって制限されている」新しい物理学の探索に大きな影響を与える可能性があると考えています。陽子、特にその反物質について。」

3番目は余分ではありません

約半世紀前の短期間、物理学者は陽子を扱ったと信じていました。



1964年、マレー・ゲルマンとジョージ・ツワイクは独立して、後にクォークとなるモデルを提案しました 。そのアイデアは、陽子、中性子、およびそれらに関連するより希少な粒子が3つのクォークのビームであるというものでした （Gell-Mann）、およびパイ中間子と他の中間子は、1つのクォークと1つの反クォークで構成されています。このスキームは、高エネルギー粒子加速器から飛んでくる粒子の不協和音を説明しました。なぜなら、それらの電荷のスペクトルは、2つの部分と3つの部分の組み合わせから構築できるからです。その後、1970年頃、スタンフォード線形加速器（SLAC）の研究者は、クォークモデルを確認したよう です。陽子に高速電子を発射することで、電子が内部の物体に跳ね返るのを見ました。



しかし、その状況はすぐにはっきりしなくなりました。 「これら3つのクォークの特性をもっと測定しようとすると、何か別のことが起こっていることがわかりました」と、国立加速器研究所の80歳のSeaQuestチームメンバーであるチャックブラウンは言いました。 1970年代からクォーク実験に取り組んでいるエンリコ・フェルミ（フェルミラボ）。



3つのクォークの運動量の研究は、それらの質量が陽子の総質量のごく一部を構成することを示しました。さらに、SLACの研究者が陽子に高速で電子を発射しているとき、彼らは電子が内部のより多くの粒子をはじいているのを見ました。電子が速いほど波長が短くなり、陽子のより細かい元素に敏感になります。顕微鏡の解像度を上げるようなものです。ますます多くの内部粒子が発見されましたが、それは終わりがないように見えました。 「限界がどこにあり、最高の解像度が得られるかはわかりません」とギサマン氏は述べています。



物理学者がクォークモデルが量子色力学（QCD）に近づいているだけであるという真の理論を開発したとき、結果はより意味をなし始めました。 1973年に策定されたQCDは、グルーオンと呼ばれる粒子がクォークのビームを結合する自然界で最大の力である「強い力」について説明しています。



QCDは、散乱実験で明らかになったのと同じ渦を予測します。グルーオンが運ぶ力そのものを感じるという事実のために、困難が生じます。これが、より単純な電磁力を運ぶ光子との違いです。この「恣意性」は陽子の内部に無秩序を生み出し、グルーオンにクォークと反クォークの短期間のペアへの出現、増殖、分裂のための完全な行動の自由を与えます。互いにバランスをとることにより、これらの近接して配置された反対に帯電したクォークと反クォークは遠くから見過ごされます。陽子の総電荷を構成するのは、3つの不均衡な「原子価」クォーク（上下に2つ）だけです。しかし、物理学者は、電子をより高速で発射することによって、より小さなターゲットに衝突することに気づきました。



しかし、奇妙なことはそれだけではありませんでした。



グルーオンの恣意性のために、QCD方程式を解くことはできません。したがって、物理学者は失敗し、 それでも理論の正確な予測を計算することができません。しかし、彼らは、グルーオンが別のタイプよりも頻繁に1つのタイプのクォークと反クォークのペア（つまり、下のペア）に分割されると想定する理由はありませんでした。シアトル大学の核理論家であるメアリー・アールバーグは、「両方のペアが同数出現することを期待していました」と 、当時の彼女の論理的根拠を説明しました。





シアトル大学の原子核物理学者であるメアリー・アールバーグと彼女の共著者は、パイ中間子が陽子の本質の形成に重要な役割を果たしていると長い間主張してきました。

シアトル大学の写真提供



これが、ジュネーブのニューミューオンコラボレーションの研究者がミューオン散乱実験の結果に非常にショックを受けた理由です。1991年。彼らはミューオン（電子のより重い親戚）を陽子と重陽子（1つの陽子と1つの中性子からなる）と衝突させ、結果を比較し、陽子海には上部反クォークよりも下部反クォークが多いと結論付けました。

陽子の一部

すぐに、理論家は陽子の非対称性についていくつかの可能な説明を提案しました。



それらの1つは牡丹に関連付けられています。 1940年代以降、物理学者は、陽子と中性子が原子核内でパイ中間子を交換するのを見てきました。たとえば、チームのプレーヤーがお互いにバスケットボールを投げて、それらを一緒に保つようにしています。陽子の構造を振り返ると、研究者たちはバスケットボールを自分自身に投げることもできる、つまり、正に帯電したパイ中間子を短時間放出し、今回は中性子に変えてから再吸収できるという結論に達しました。 「実験中に陽子を見ていると思ったとしても、そうではありません。しばらくの間、この陽子は中性子とパイ中間子のペアの状態になるからです」とAhlberg氏は述べています。



より正確には、陽子は1つのアップクォークと1つのダウンクォークからなる中性子とパイ中間子に変わります。この幽霊牡丹が低いantiquark（そう簡単に具現することができない上部antiquarkと牡丹）を有しているので、そのようなAhlberg、など理論 ジェラルドミラー、及び トニー・トーマスはパイオン雲モデルは低いプロトンantiquarksのより大きな数は測定によって検出を説明することを主張しています。





サミュエルベラスコ/クアンタマガジン



他の議論も出てきました。フランスのClaudeBurrelyと彼の同僚は、陽子の内部粒子を室内のガス分子と見なし、粒子の角運動量が整数か半整数かに応じて、さまざまな速度で無秩序に移動する統計モデルを開発しました。多数の散乱実験からのデータで調整されたとき、モデルは反クォークの優勢を仮定しました。



前述の2つのモデルの予測は同一ではありませんでした。陽子の総質量の大部分は、陽子の海に出入りする個々の粒子のエネルギーで構成されており、これらの粒子は異なるエネルギーを運びます。モデルは、より多くのエネルギーを運ぶ反クォークを数えるときに、高反クォークと低反クォークの比率がどのように変化するかを異なる方法で予測しています。物理学者は、反クォーク運動量分数と呼ばれる関連する量を測定します。



1999年にNuSea実験の 下でフェルミラボの研究者が 測定したとき反クォークの勢いの関数としての上下の反クォークの比率は、彼らの仕事の結果、単にすべての人にインスピレーションを与えた、とAhlbergは回想します。これらのデータは、運動量が大きい（機器の検出範囲の端にあるほど大きい）反クォークの中で、突然、下の反クォークよりも上の反クォークの方が多かったことを示しています。「すべての理論家は、 『ちょっと待って』と言った。「これらの反クォークが勢いを増したのに、なぜ曲線が展開したのか？」



理論家がこの質問に頭を悩ませている間、NuSea実験に取り組んでいて、危機に瀕しているデータが信頼されるべきではないことを知っていたGisamanとReimerは、より広い範囲を調査できる実験を構築することにしました。快適な条件下での反クォークパルス。彼らはそれをSeaQuestと名付けました。

何から

陽子についての質問がたくさんありましたが、お金がなかったので、彼らは使用済みの部品から実験を組み立て始めました。「私たちのモットーは、廃棄物の削減、再利用、リサイクルでした」とReimer氏は述べています。



彼らはハンブルク研究所からいくつかの古いシンチレータ、ロスアラモス国立研究所の残りの粒子検出器、そして1950年代にコロンビア大学のサイクロトロンで最初に使用された放射線遮断鉄板を購入しました。彼らは、NuSea実験で使用された部屋サイズの磁石を使用し、フェルミ研究所の陽子加速器で新しい実験を実行することができました。しかし、これらの詳細から得られた「フランケンシュタイン」は、その魅力を欠いていませんでした。すべての部品を見つけるのを手伝ったブラウンによると、陽子がデバイスに入っていることを示す可聴インジケータは、50年前に作成されました：「ビープ音が鳴ると、魂の中で暖かくなります」。









SeaQuest実験装置を持った原子核物理学者PaulRymer（上）

主に使用済み部品から構築されたフェルミラボでの実験



。最後に、彼らはそれを立ち上げました。実験では、陽子は2つのターゲットに衝突します。本質的に陽子である水素の泡と、核が1つの陽子と1つの中性子で構成される重水素の泡です。



2つのターゲットのいずれかに当たると、陽子の原子価クォークの1つが、ターゲットの陽子または中性子の反クォークの1つで消滅することがあります。 「消滅には独特の特徴があり、ミューオンと反ミューオンを生成します」とRymer氏は述べています。これらの粒子は、衝突による他の「破片」とともに、古い鉄板に衝突します。 「ミューオンはそれらを通過することができ、他のすべての粒子はブロックされます」と彼は言いました。プレートの裏側にあるミューオンを検出し、元の軌道と速度を復元することで、「イベントの時系列を再構築して、反クォークによって運ばれる運動量の割合を見つけることができます」。



陽子と中性子は互いに鏡像関係にあるため、一方には上部タイプの粒子があり、もう一方には下部タイプの粒子があり、その逆も同様です。 2つの気泡のデータを比較すると、陽子の上部反クォークと下部反クォークの比率がすぐにわかりますが、これにはもちろん20年の作業が先行していました。



2019年、AhlbergとMillerは、パイ中間子雲モデルに基づい てSeaQuest実験の結果を計算しました。彼らの予測は、新しいSeaQuestデータと一致しています。



突然の逆転ではなく、徐々に上昇し、その後、下部と上部の反クォークの比率が横ばいになることを示す新しいデータも、より柔軟な統計モデルの結果と一致しています 。Burrelyと同僚によって開発されました。しかし、ミラーはこの競合モデルを「予測ではなく記述的」と呼んでいます。これは、反クォークの優位性を説明する物理的メカニズムを引き出すのではなく、データに適合するように調整されているためです。 「そして私たちの計算では、それらが真の予測を表しているという事実を誇りに思っています」とAhlberg氏は述べています。 「事前にパラメータを調整していません。」



電子メールの中で、Burrelyは、分極粒子と非分極粒子の両方を使用した散乱実験を考慮に入れているため、「統計モデルはAlberg andMillerモデルよりも強力である」と主張しました。ミラーは、パイ中間子雲モデルが陽子の反物質組成だけでなく、さまざまな粒子の磁気モーメント、電荷と崩壊時間の分布、および「結合、したがってすべての原子核の存在」も説明していることを指摘し、強く反対しました。 。」彼は、パイ中間子のメカニズムは、「なぜ核があるのか​​？」などの質問に対して広い意味で重要であると付け加えました。なぜ私たちは存在するのですか？」



陽子を理解するための究極の探求では、スピンまたは固有の角運動量が決定的な要因になる可能性があります。 1980年代後半のミューオン散乱実験 は陽子の3つの原子価クォークのスピンは陽子の全スピンの30％以下であること。 「陽子スピン危機」は、「残りの70％は何で構成されているのか」という質問で表現できます。そして、ベテラン探検家のチャック・ブラウン（フェルミラボのベテラン）が再び言ったように、「何か他のものがあるに違いない」。



実験者は、フェルミ研究所で陽子海のスピンを調査し、次にブルックヘブン国立研究所で投影された電子イオン衝突型加速器で調査します。 AhlbergとMillerはすでに、陽子を取り巻く完全な「中間子雲」の計算に取り組んでいます。これには、パイ中間子に加えて、よりまれな「ロー中間子」が含まれます。パイ中間子とは異なり、中間子にはスピンがあるため、AhlbergとMillerが決定したいと考えている陽子の総スピンに何らかの影響を与える必要があります。



多くのSeaQuest研究者が関与し、その実験の詳細を使用するFermilabのSpinQuest実験は、ほぼ準備ができているとブラウン氏は述べた 。「運が良ければ、この春にデータを入手できます。これは、少なくとも部分的には、ウイルスに対するワクチンの開発の進捗状況に依存します。核の内部構造のこのような深くて理解できない問題の解決策が、国内のCOVIDウイルスの状況に依存しているのはおかしいです。世界のすべてが相互に関連しているのではないですか？」