素粒子物理学におけるホットスポット効果

素粒子物理学におけるホットスポットとは、ハドロン物質または核物質内の高エネルギー密度または高温度の領域です。

ホットスポットは、システムの有限サイズの現れです。原子核物理学では、これは、核子で構成される原子核と、クォークとグルーオンで構成される核子自体の両方を指します。これらのシステムの有限サイズの他の現れは、原子核と核子による電子の散乱に見られます。特に原子核の場合、有限サイズ効果は、同位体シフトと同位体シフトにも現れます。

ホットスポットの形成は、局所平衡の確立を前提としており、これは媒体の熱伝導率が十分に小さい場合に発生します。平衡と熱の概念は統計的です。統計的手法の使用は、多数の自由度を前提としています。マクロ物理学では、この数は通常、原子または分子の数を指しますが、原子核物理学および粒子物理学では、エネルギーレベル密度を指します。^[1]

局所平衡は全体平衡の前兆であり、ホット スポット効果を使用して、局所平衡から全体平衡への移行がどの程度の速さで起こるか (起こる場合) を判断できます。この移行が常に起こるわけではないのは、強い相互作用反応の持続時間が非常に短い (10 ^{−22 ～} 10 ⁻²³秒程度) ことと、システムの有限サイズの本体を介した「熱」、つまり励起の伝播に有限の時間がかかること (これはシステムを構成する物質の熱伝導率によって決まります) に起因します。強い相互作用粒子物理学における局所平衡と全体平衡の間の移行の兆候は、1960 年代から 1970 年代初頭にかけて現れ始めました。高エネルギーの強い相互作用では、平衡は通常完全ではありません。これらの反応では、実験室エネルギーの増加に伴い、生成された粒子の横方向運動量にテールがあり、これが全体平衡の特徴である単一の指数ボルツマンスペクトルから外れていることが観察されます。この横方向運動量の尾の傾斜または有効温度は、エネルギーの増加とともに増大する。これらの大きな横方向運動量は、平衡に達する前に「漏れ出る」粒子によるものと解釈された。同様の観察は核反応でも行われており、これも平衡前効果によるものとされた。この解釈は、平衡は瞬間的でも全体的でもないが、むしろ空間と時間において局所的であることを示唆している。ホットスポット効果に基づいて周辺の高エネルギーハドロン反応における特定の非対称性を予測することにより、リチャード・M・ワイナー^[2]は、この仮説とハドロン物質の熱伝導率は比較的小さいという仮定を直接検証することを提案した。熱の伝播に関するホットスポット効果の理論的分析は、文献^{[3]で行われた。}

高エネルギーハドロン反応では、多重度の低い周辺反応と多重度の高い中心衝突を区別する。周辺反応はまた、入射エネルギーの大部分を保持する先導粒子の存在によって特徴付けられる。周辺という概念を文字通りに解釈して、文献 2 は、この種の反応では衝突するハドロンの表面が局所的に励起されてホットスポットが生じ、それが 2 つのプロセスによって脱励起されると示唆した。1) 真空中への粒子の放出 2) ターゲット (発射体) の本体への「熱」の伝播。そこから最終的に粒子生成によって熱も放出される。プロセス 1) で生成された粒子は、プロセス 2) による粒子よりもエネルギーが高くなります。これは、後者のプロセスでは励起エネルギーが部分的に低下するためです。これにより、先導粒子に関して非対称性が生じ、これは実験イベントでイベント分析によって検出できるはずです。この効果は、ジャック・ゴールドバーグ^[4]によって 14 GEV/c での K− p→ K− p π+ π− 反応で確認されました。この実験は、ハドロン相互作用における局所平衡の初めての観測であり、原理的には文献 3 に沿ってハドロン物質の熱伝導率を定量的に決定することを可能にします。この観測は驚きでした。^[5]なぜなら、電子陽子散乱実験では核子が有限の大きさを持つことは疑いの余地なく示されていましたが、このサイズがホットスポット効果を観測できるほど十分に大きいかどうか、つまりハドロン物質の熱伝導率が十分に小さいかどうかは事前に明らかではなかったからです。実験 4 は、これが事実であることを示唆しています。

原子核は核子に比べて大きさが大きいため、統計的および熱力学的概念は1930年代にすでに使用されていました。ハンス・ベーテ^[6]は、 核物質内の熱の伝播は中心衝突で研究できると示唆し、朝永振一郎^{[7]は対応する熱伝導率を計算しました。この現象への関心は、1970年代にワイナーとウェストロム[8] [9]} の研究によって復活しました。 彼らは、ホットスポットモデルと低エネルギー重イオン反応で使用される前平衡アプローチとの間の関連を確立しました。^{[10] [11]} 実験的には、核反応におけるホットスポットモデルは、一連の調査^{[12] [13] [14] [15]}で確認されました。その中には、陽子^[16] とガンマ線の偏極測定 を含む、かなり高度なものもありました。 ^[17] その後、理論面では、高エネルギー重イオン反応におけるホットスポットと限界フラグメンテーション^[18]および透明性^{[19]の関係が解析され、中心衝突の「漂うホットスポット」が研究されました。 [20] [21]} 重イオン加速器の出現により、核物質のホットスポットの実験的研究が現在の関心事となり、一連の特別会議^{[22] [23] [24] [25]} が強い相互作用における局所平衡のトピックに捧げられました。ホットスポット、熱伝導、および前平衡の現象は、高エネルギー重イオン反応およびクォーク物質への相転移の探索においても重要な役割を果たします。^[26]

孤立波（ソリトン）は、原子核相互作用におけるホットスポット生成の物理的メカニズムとして考えられる。ソリトンは、安定した局所的な高密度領域と小さな空間体積を特徴とする流体力学方程式の解である。ソリトンは、 音速をわずかに超える速度（E/A 約 10-20 MeV、ここで E は入射エネルギー、A は原子番号）での低エネルギー重イオン衝突で出現すると予測されていた^{[27] [28 ]。この現象の証拠として考えられるもの[29]}は、12C 誘起重イオン反応における線形運動量移動が限られているという 実験的観測^[30]である。