高エネルギー原子核物理学

高エネルギー核物理学は、高エネルギー物理学に典型的なエネルギー領域における核物質の挙動を研究する。この分野の主な焦点は、他の粒子加速器におけるより軽い原子と比較して、重イオン衝突の研究である。十分な衝突エネルギーでは、これらのタイプの衝突はクォークグルーオンプラズマを生成すると理論的に考えられている。高エネルギーでの周辺核衝突では、電子陽電子衝突型加速器でははるかに小さいルミノシティのためにアクセスできないレプトンとメソンの電磁生成に関する情報が得られると期待されている。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

これまでの高エネルギー核加速器実験では、 JINRとLBNL-Bevalac で1 GeV/核子からCERN-SPSで最大158 GeV/核子までの入射エネルギーを用いた重イオン衝突が研究されてきた。この種の実験は「固定ターゲット」実験と呼ばれ、主にイオンの「束」（通常、束あたり約^10⁶～10⁸^{個のイオン）を}光速（0.999 c）に近い速度まで加速し、同様の重イオンのターゲットに衝突させる。すべての衝突システムは興味深いが、1990年代後半には、ブルックヘブン国立研究所の交互勾配シンクロトロン（AGS）での金ビームと金ターゲットの対称衝突システムと、 CERNのスーパープロトンシンクロトロンでのウランビームとウランターゲットの対称衝突システムに大きな注目が集まった。 

高エネルギー核物理実験は、ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）とCERNの大型ハドロン衝突型加速器で継続されている。RHICでは、このプログラムはPHENIX、STAR、PHOBOS、BRAHMSの4つの実験から始まり、いずれも非常に相対論的な原子核の衝突を研究することを目的としている。固定標的実験とは異なり、衝突型加速器実験では、加速された2つのイオンビームを（RHICの場合）6つの相互作用領域で互いに向かわせる。RHICでは、イオンは（イオンのサイズに応じて）100  GeV/核子から250  GeV/核子まで加速できる。衝突する各イオンは反対方向に移動しながらこのエネルギーを持っているため、衝突の最大エネルギーは、金の場合は200 GeV/核子、陽子の場合は500 GeV/核子の重心衝突エネルギーを達成できる。  

CERNのLHCにあるALICE （大型イオン衝突実験）検出器は、核子ペアあたり2.76 TeVの重心系エネルギーでのPb-Pb原子核衝突の研究に特化している。主要なLHC検出器（ALICE、 ATLAS、CMS、LHCb） はすべて重イオンプログラムに参加している。^{[ 4 ]}

高温ハドロン物質と多粒子生成の探究は、米国エンリコ・フェルミとソ連レフ・ランダウによる多粒子生成に関する理論的研究に端を発する長い歴史を持つ。これらの研究は、1960年代初頭にロルフ・ハーゲドーンによる多粒子生成の熱的記述と統計的ブートストラップモデルの開発へとつながった。これらの発展は、クォークグルーオンプラズマの探索と発見につながった。^{[ 5 ]}この新しい形態の物質の生成開始については、現在も活発な研究が続けられている。

CERNのLHC衝突型加速器は、1年に1か月間、核衝突モードで稼働し、鉛原子核が核子対あたり2.76 TeVのエネルギーで衝突します。これは静止質量の約1500倍のエネルギーに相当します。全体で1250個の価クォークが衝突し、高温のクォーク・グルーオン・スープが生成されます。電子雲を剥ぎ取られた重い原子核は重イオンと呼​​ばれ、運動エネルギーが静止エネルギーを大幅に上回る場合、LHCの場合のように、（超）相対論的重イオンと呼​​ばれます。このような衝突の結果、非常に多くの強い相互作用粒子が生成されます。 

2012年8月、ALICEの科学者たちは、実験で約5.5兆ケルビンの温度のクォークグルーオンプラズマを生成したと発表した。これは、これまでの物理実験で達成された最高温度である。^{[ 6 ]}この温度は、2010年にブルックヘブン国立研究所で行われた実験で達成された約4兆ケルビンという以前の記録よりも約38%高い。 ^{[ 6 ]} ALICEの結果は、8月13日にワシントンDCで開催されたQuark Matter 2012会議で発表された。これらの実験で生成されたクォークグルーオンプラズマは、ビッグバンから数マイクロ秒後、物質が原子に凝縮する前の宇宙の状態に近似している。^{[ 7 ]} 

この国際研究プログラムには、いくつかの科学的目標がある。

• 宇宙初期の最初の30マイクロ秒間に存在した、クォークとグルーオンからなる新しい物質状態であるクォークグルーオンプラズマQGPの形成と研究。
• 色の閉じ込めの研究と、色の閉じ込め＝クォーク閉じ込め真空状態から、物理学者が摂動真空と呼ぶ励起状態への変換の研究。この励起状態では、クォークとグルーオンが自由に動き回ることができ、これはハゲドーン温度で発生します。
• この研究は、ハドロン（陽子、中性子など）の物質質量の起源を研究するものであり、クォーク閉じ込め現象と真空構造に関連していると考えられている。

この実験プログラムは、 BNLのRHIC衝突型加速器における10年間の研究と、CERNのSPSおよびBNLのAGSにおける固定標的を用いた約20年間の研究に基づいています。この実験プログラムでは、QGP相に到達するために必要な物質の極限状態に到達できることが既に確認されています。生成されたQGPで達成される典型的な温度範囲は

${\displaystyle T=300~{\text{MeV}}/k_{\text{B}}=3.3\times 10^{12}~{\text{K}}}$

より太陽の中心部の10万倍。これはエネルギー密度に相当する。

$\displaystyle \epsilon =10~{\text{GeV/fm}}^{3}=1.8\times 10^{16}~{\text{g/cm}}^{3}}$。

対応する相対論的物質の圧力は

${\displaystyle P\simeq {\frac {1}{3}}\epsilon =0.52\times 10^{31}~{\text{bar}}.}$

• ラトガース大学原子核物理学ホームページ
• 出版物 - 高エネルギー原子核物理学（HENP）
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/