高エネルギー核物理学

高エネルギー原子核物理学は、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原子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の比較による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化されている。高エネルギーでの周辺原子核衝突では、はるかに小さい光度のために電子-陽電子衝突型加速器ではアクセスできないレプトンと中間子の電磁気的生成に関する情報が得られると期待される。^{[1] [2] [3]}

これまでの高エネルギー原子核加速器実験では、 JINRとLBNL-Bevalacで 1 GeV/核子の入射エネルギーからCERN-SPSで最大 158 GeV/核子までの重イオン衝突が研究されてきた。「固定ターゲット」実験と呼ばれるこのタイプの実験では、主にイオンの「束」（通常、束あたり約 10 ⁶～ 10 ^{8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には興味深いものがあるが、1990 年代後半には、ブルックヘブン国立研究所の交代勾配シンクロトロン（AGS）での金のターゲットへの金のビーム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のターゲットへのウランのビームの対称衝突システムに重点が置かれていた。

高エネルギー原子核物理学の実験は、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ます。RHIC では、プログラムは PHENIX、STAR、PHOBOS、BRAHMS の 4 つの実験から開始され、いずれも高度に相対論的な原子核の衝突を研究するためのものです。固定ターゲット実験とは異なり、衝突型加速器実験では、2 つの加速されたイオンビームを (RHIC の場合) 6 つの相互作用領域で互いの方向に向けます。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/核子まで加速できます。衝突する各イオンは反対方向に移動する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/核子の質量中心衝突エネルギーを達成できます。

CERNのLHCにあるALICE（大型イオン衝突型加速器実験）検出器は、核子対あたり2.76 TeVの重心エネルギーでのPb-Pb原子核衝突の研究に特化しています。すべての主要なLHC検出器（ALICE、ATLAS 、 CMS 、 LHCb ）は重イオンプログラムに参加しています。^[4]

高温ハドロン物質と多粒子生成の研究は、米国のエンリコ・フェルミとソ連のレフ・ランダウによる多粒子生成の理論的研究に始まり、長い歴史を誇っています。これらの取り組みは、1960 年代初頭のロルフ・ハーゲドル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の道を開きました。これらの開発は、クォーク グルーオン プラズマの探索と発見につながりました。この新しい形態の物質の生成の開始については、現在も活発な調査が行われています。

中程度の相対論的条件での最初の重イオン衝突は、米国カリフォルニア州バークレーのローレンス・バークレー国立研究所(LBNL、旧称 LBL)と、ソ連モスクワ州ドゥブナの合同原子核研究所(JINR)で行われました。LBL では、重イオン加速器 HILAC からベバトロンに重イオンを運ぶための輸送ラインが建設されました。核子あたり 1～2 GeV のレベルのエネルギー スケールに到達し、最初に通常の核密度の数倍の圧縮核物質が生成されました。圧縮され励起された核物質の特性を研究する可能性が実証されたことで、BNLとCERNで利用可能な加速器で、実験室の固定ターゲットを狙った相対論的ビームを使用して、はるかに高いエネルギーで研究プログラムが推進されました。最初の衝突実験は RHIC で 1999 年に開始され、LHC は 2010 年に 1 桁高いエネルギーで重イオンの衝突を開始しました。

CERNの LHC 衝突型加速器は、年に 1 か月、核衝突モードで稼働し、Pb原子核が核子対あたり 2.76 TeV 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、熱いクォーク・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、LHC の場合のように、運動エネルギーが静止エネルギーを大幅に超える場合は (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、非常に多くの強く相互作用する粒子が生成されます。

2012年8月、ALICEの科学者らは、実験によって約5.5兆ケルビンの温度のクォーク・グルーオン・プラズマが生成されたと発表しました。これは、これまでの物理実験で達成された最高温度です。 ^[5]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%高いものです。^[5] 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会議で発表されました。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、物質が原子に凝集する前の宇宙の状態に近似しています。^[6]

この国際研究プログラムにはいくつかの科学的目的があります。

• クォークとグルーオンからなる新しい物質状態、クォーク・グルーオン・プラズマ QGP の形成と調査。クォーク・グルーオン・プラズマQGP は初期宇宙の最初の 30 マイクロ秒間に存在していました。
• 色の閉じ込めと色の閉じ込め = 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、これはハゲドン温度で発生します。
• ハドロン（陽子、中性子など）物質の質量の起源は、クォークの閉じ込めや真空構造の現象に関連していると考えられる研究。

この実験プログラムは、 BNLのRHIC衝突型加速器での10年間の研究と、 CERNのSPSとBNLのAGSの固定ターゲットを使用したほぼ20年間の研究に続くものです。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すでに確認されています。QGPで達成された典型的な温度範囲は、

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

以上です太陽の中心部の10万倍の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 - 高エネルギー核物理学 (HENP)
• https://web.archive.org/web/20101212105542/http://www.er.doe.gov/np/