QCD物質

クォーク物質またはQCD物質（量子色力学）は、自由度にクォークとグルーオンを含む物質の仮想的な相のいずれかを指し、その代表的な例はクォークグルーオンプラズマです。^[1] 2019年、2020年、2021年にはこのトピックをテーマにした一連の会議が開催されました。^{[2] [3] [4]}

クォークは、極めて高い温度および/または密度でクォーク物質に解放されますが、その一部は、どのような実験室でも、特に平衡状態では生成できないほど極端な条件を必要とするため、まだ理論上のものに過ぎません。これらの極端な条件下では、原子核（クォークの束縛状態である核子からなる）と電子を基本構成要素とする物質の一般的な構造が破壊されます。クォーク物質では、クォーク自体を基本的な自由度として扱う方が適切です。

素粒子物理学の標準モデルでは、強い力はQCD理論によって説明されます。通常の温度または密度では、この力はクォークを約 10 ⁻¹⁵  m = 1 フェムトメートル= 1 fm (QCD エネルギースケール Λ _QCD  ≈ 200  MeVに相当) の大きさの複合粒子 (ハドロン) に閉じ込めるだけであり、その効果は長距離では顕著ではありません。

しかし、温度が QCD エネルギースケール ( Tは 10 ¹² ケルビンのオーダー) に達するか、密度が上昇して平均クォーク間距離が 1 fm 未満 (クォーク化学ポテンシャルμ は約 400 MeV) になると、ハドロンは構成クォークに溶解し、強い相互作用が物理学の支配的な特徴になります。このような相はクォーク物質または QCD 物質と呼ばれます。

カラー力の強さにより、クォーク物質の特性はガスやプラズマとは異なり、むしろ液体に似た物質の状態になります。高密度では、クォーク物質はフェルミ液体ですが、高密度および 10 ¹² K 未満の温度ではカラー超伝導を示すと予測されています。

• ビッグバン理論によれば、宇宙が誕生してわずか数十マイクロ秒の高温の初期宇宙では、物質の相はクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）と呼ばれるクォーク物質の高温相の形をとっていた。^[5]
• コンパクト星（中性子星）。中性子星は10 ¹² Kよりもはるかに低温ですが、重力崩壊によって高密度に圧縮されているため、中心核にクォーク物質が存在すると推測するのは妥当です。^{[6]大部分または完全にクォーク物質で構成されたコンパクト星は}、クォーク星またはストレンジ星と呼ばれます。
• QCD物質はガンマ線バーストの崩壊領域内に存在する可能性があり、そこでは6.7 × 10 ¹³ Kもの高温が生成される可能性がある。

現時点では、これらの天体に期待される特性を持つ星は観測されていないが、大型中性子星の中心核にクォーク物質が存在するという証拠はいくつか示されている。^[7]

• ストレンジレット。これは理論的に想定されている（しかしまだ観測されていない）ストレンジ物質の塊で、アップ、ダウン、ストレンジクォークがほぼ同量含まれている。ストレンジレットは高エネルギー粒子の銀河フラックス内に存在すると考えられており、したがって理論的には地球上の宇宙線で検出できるはずであるが、確実に検出されたストレンジレットはない。^{[8] [9]}
• 宇宙線の影響。宇宙線は、特に鉄の原子核など、非常に加速された原子核を含むさまざまな粒子で構成されています。

実験室での実験では、上層大気中の重い希ガス原子核との避けられない相互作用により、クォーク・グルーオン・プラズマが形成されることが示唆されています。

• 約300以上の重粒子を持つクォーク物質は、原子核物質よりも安定している可能性がある。この形態の重粒子物質は、安定大陸を形成する可能性がある。^[10]

クォークグルーオンプラズマは、温度や圧力の極めて極端な条件下でのみ発生するが、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）や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）などの粒子加速器で積極的に研究されている。

これらの衝突では、プラズマはごく短時間しか発生せず、その後自発的に崩壊します。プラズマの物理的特性は、衝突領域から放出される破片を大型粒子検出器で検出することで研究されています^{[11] [12]}

非常に高いエネルギーでの重イオン衝突は、宇宙の誕生から20マイクロ秒のエネルギー密度に匹敵するエネルギー密度を持つ、短命の小さな空間領域を作り出すことができる。これは鉛原子核などの重い原子核を高速で衝突させることで実現され、 2000年2月にCERNのSPS加速器から初めてクォーク・グルーオン・プラズマの形成が主張された。 ^[13]

この研究は、米国のRHICや、2010年現在ではスイスとフランスの国境に位置するCERNの欧州LHCなど、より強力な加速器で継続されている。RHICでもクォーク・グルーオン・プラズマが生成されたという確かな証拠がある。^[14]

クォーク物質の熱力学を理解するための文脈は、6 つの異なるフレーバーのクォークと、電子やニュートリノなどのレプトンを含む粒子物理学の標準モデルです。これらは、強い相互作用、電磁気、および 1 つのフレーバーのクォークが別のフレーバーに変わることを可能にする弱い相互作用を介して相互作用します。電磁相互作用は電荷を運ぶ粒子間で発生し、強い相互作用は色荷を運ぶ粒子間で発生します。

クォーク物質の正しい熱力学的取り扱いは、物理的状況によって異なります。長期間存在する大量の物質 (「熱力学的限界」) の場合、標準モデルで保存される電荷​​は、クォーク数 (重粒子数に相当)、電荷、8 つの色電荷、およびレプトン数のみであるという事実を考慮する必要があります。これらのそれぞれには、関連する化学ポテンシャルがあります。ただし、大量の物質は電気的および色的に中性でなければならず、これが電気および色電荷の化学ポテンシャルを決定します。これにより、クォーク化学ポテンシャル、レプトンの化学ポテンシャル、および温度によってパラメーター化される 3 次元の位相空間が残ります。

コンパクトな星では、クォーク物質は立方キロメートルを占め、何百万年も存在するため、熱力学的限界は適切です。しかし、ニュートリノは逃げてレプトン数を破るため、コンパクトな星のクォーク物質の位相空間は、温度 ( T ) とクォーク数化学ポテンシャル μ の 2 つの次元のみになります。ストレンジレットは大きな体積の熱力学的限界にはないため、エキゾチックな核のようなもので、電荷を運ぶ可能性があります。

重イオン衝突は、大きな体積の熱力学的限界でも長時間の熱力学的限界でもありません。熱力学を適用できるほど十分に平衡化されているかどうかという問題はさておき、弱い相互作用が発生するのに十分な時間はないことは確かです。そのためフレーバーは保存され、6つのクォークフレーバーすべてに独立した化学ポテンシャルが存在します。初期条件（衝突の衝撃パラメータ、衝突する核内のアップクォークとダウンクォークの数、およびそれらに他のフレーバーのクォークが含まれていないという事実）によって化学ポテンシャルが決まります。（このセクションの参考文献：^{[15] [16]}）。

クォーク物質の相図は、実験的にも理論的にもあまりよくわかっていません。相図の一般的に推測される形は、右の図に示されています。^{[15]これは、関連する熱力学的ポテンシャルがクォークの}化学ポテンシャルμと温度T だけであるコンパクトな星の物質に適用できます。

参考までに、重イオン衝突と初期宇宙における μ とTの典型的な値も示しています。化学ポテンシャルの概念に馴染みのない読者にとっては、μ をシステム内のクォークと反クォークの不均衡の尺度と考えると分かりやすいでしょう。μ が高いほど、クォークが反クォークより優位になる傾向が強くなります。低温では反クォークは存在せず、μ が高いほどクォークの密度が高くなります。

私たちが知っている通常の原子物質は、実際には混合相、つまり真空に囲まれた核物質（原子核）の液滴であり、真空と核物質の間の低温相境界、μ = 310 MeV、T がゼロに近いところに存在します。温度を低く保ちながらクォーク密度を増やす（つまり、μを増やす）と、核物質がますます圧縮された相に移行します。この経路をたどることは、中性子星にますます深く潜っていくことに対応します。

最終的には、未知の臨界値μでクォーク物質への遷移が起こる。超高密度では、カラー超伝導クォーク物質のカラーフレーバーロック（CFL）相が見つかると予想される。中間密度では、現在その性質が不明な他の相（図では「非CFLクォーク液体」と表示）が見つかると予想される。^{[15] [16]}それらは、カラー超伝導クォーク物質の別の形態であるか、または何か異なるものである可能性がある。

ここで、相図の左下隅、真空中で μ =  T  = 0 から始めることを想像してください。クォークを反クォークより優先させることなくシステムを加熱すると、これはT軸に沿って垂直に上向きに移動するのに対応します。最初は、クォークはまだ閉じ込められており、ハドロン (主にパイオン) のガスが生成されます。次に、 T  = 150 MeV 付近で、クォーク グルーオン プラズマへのクロスオーバーがあります。熱変動によってパイオンが分解され、クォーク、反クォーク、グルーオン、および光子、電子、陽電子などのより軽い粒子のガスが見つかります。この経路をたどることは、時間をはるか過去に遡り、ビッグバン直後の宇宙の状態 (クォークが反クォークよりわずかに優先されていた状態) に移動するのに対応します。

原子核/クォーク物質遷移から上昇し、その後T軸に向かって曲がる線(その端は星印で示されています) は、閉じ込められた相と閉じ込められていない相の間の境界であると推測されています。最近まで、これはカイラル対称性が破れた相 (低温および低密度) と、カイラル対称性が破れていない相 (高温および高密度) の間の境界であるとも考えられていました。現在では、CFL 相はカイラル対称性の破れを示し、他のクォーク物質相もカイラル対称性を破る可能性があることがわかっているため、これが本当にカイラル遷移線であるかどうかは明らかではありません。線は、この図で星印で示されている「カイラル臨界点」で終わります。これは、臨界乳白色光に類似した顕著な物理現象が予想される特別な温度および密度です。 (このセクションの参考文献: ^{[15] [16] [17]} )。

状態図を完全に記述するには、量子色力学 (QCD) などの基礎理論から、高密度で強く相互作用するハドロン物質と強く相互作用するクォーク物質を完全に理解する必要があります。しかし、そのような記述には、非摂動領域における QCD の適切な理解が必要であり、これはまだ完全に理解されるにはほど遠いため、理論的な進歩は依然として非常に困難です。

クォーク物質の相構造は、クォーク物質の特性を予測する計算を実行するのが難しいため、ほとんど推測の域を出ません。その理由は、クォーク間の主要な相互作用を記述する理論である QCD が、物理的に最も関心のある密度と温度で強く結合しているため、そこから予測を得るのが非常に難しいからです。ここでは、標準的なアプローチのいくつかについて簡単に説明します。

現在利用可能な唯一の第一原理計算ツールは格子QCD、すなわち力ずくのコンピュータ計算である。フェルミオン符号問題と呼ばれる技術的障害のため、この方法は低密度かつ高温（μ<  T）でのみ使用でき、クォークグルーオンプラズマへのクロスオーバーはT  = 150 MeV付近で発生すると予測される^[18]。しかし、高密度かつ低温での興味深いカラー超伝導相構造の調査には使用できません。^[19]

QCDは漸近的に自由であるため、非現実的なほど高い密度では弱く結合し、ダイアグラム法を使用することができます。^[16]このような方法は、CFL相が非常に高い密度で発生することを示しています。しかし、高温では、ダイアグラム法はまだ完全に制御されていません。

どのような相が起こるか大まかに把握するには、QCD と同じ特性をいくつか持ちながら操作が簡単なモデルを使うことができます。多くの物理学者は、グルーオンを含まず、強い相互作用を4 フェルミオン相互作用に置き換えたNambu-Jona-Lasinio モデルを使用します。相の解析には、平均場法がよく使用されます。別のアプローチはバッグ モデルで、閉じ込めの効果は、閉じ込められていないクォーク物質にペナルティを課す追加エネルギー密度によってシミュレートされます。

多くの物理学者は、単にミクロなアプローチをあきらめ、予想される位相について情報に基づいた推測を行います（おそらくNJLモデルの結果に基づいています）。次に、各位相について、少数のパラメータで低エネルギー励起の有効な理論を書き、それを使用して、実験観察によってそれらのパラメータを固定できる予測を行います。^[17]

QCD を解明するために時々使用される他の方法もありますが、さまざまな理由により、クォーク物質の研究においてまだ有用な結果は得られていません。

色数N（実際には3）を大きな数として扱い、1/ Nの累乗で展開します。高密度では高次補正が大きくなり、展開によって誤解を招く結果が生じることがわかります。^[15]

スカラークォーク（スクォーク）とフェルミオングルーオン（グルーイノ）を理論に追加すると、理論はより扱いやすくなりますが、クォーク物質の熱力学は、フェルミオンのみがクォーク数を運ぶことができるという事実と、一般的な自由度の数に大きく依存します。

実験的には、クォーク物質の相図を描くことは難しい。なぜなら、相対論的重イオンの衝突を実験ツールとして用いた実験室実験で、十分に高い温度と密度に調整する方法を学ぶのがかなり難しいからだ。しかし、これらの衝突は、最終的にはハドロン物質からQGPへのクロスオーバーに関する情報を提供するだろう。コンパクト星の観測は、高密度低温領域に関する情報を制限する可能性もあると示唆されている。これらの星の冷却、スピンダウン、歳差運動のモデルは、それらの内部の関連する特性に関する情報を提供する。観測がより正確になるにつれて、物理学者はより多くのことを学びたいと望んでいる。^[15]

今後の研究の自然なテーマの1つは、カイラル臨界点の正確な位置の探索です。野心的な格子QCD計算によってその証拠が見つかっている可能性があり、将来の計算によって状況が明らかになるでしょう。重イオン衝突によってその位置を実験的に測定できるかもしれませんが、これにはμとTの値の範囲にわたるスキャンが必要になります。^[20]

2020年には、質量が約2 M⊙の中性子星の中心核がクォーク物質で構成されている可能性が高いという証拠が示された。_[ 7 ^{] [21]}彼らの結果は、重力波観測所によって測定された中性子星の合体中の中性子星の潮汐変形に基づいており、星の中心核の圧力とエネルギー密度を関連付ける状態方程式の計算と組み合わせて星の半径を推定した。この証拠はクォーク物質の存在を強く示唆するものではあったが、決定的に証明するものではなかった。

• 色とフレーバーのロッキング - 高密度ストレンジマターにおける現象
• 格子QCD  – 格子上の量子色力学
• 量子色力学 – 強い核相互作用の理論
• クォーク・グルーオン・プラズマ – 量子色力学 (QCD) の位相
• クォーク星 – 主にクォークからなる物質を形成するコンパクトな異星
• SU(2)カラー超伝導 – クォーク物質の性質
• ストレンジ物質 – ストレンジクォークから作られた縮退物質
• ストレンジネスとクォークグルーオンプラズマ – 素粒子のシグネチャーリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 1/N展開 – 量子場理論の摂動解析

• アロンソン、S. およびラドラム、T.：「クォークグルーオンプラズマの探索」、米国エネルギー省 (2005)
• レテシエ、ジャン：ハドロンとクォークグルーオンプラズマ、ケンブリッジ素粒子物理学、原子核物理学、宇宙論に関するモノグラフ（第18巻）、ケンブリッジ大学出版局（2002年）
• S. Hands (2001). 「QCD の相図」. Contemporary Physics . 42 (4): 209–225. arXiv : physics/0105022 . Bibcode :2001ConPh..42..209H. doi :10.1080/00107510110063843. S2CID  16835076.
• K. Rajagopal (2001). 「クォークを解放する」(PDF) . Beam Line . 32 (2): 9–15.

• QCD物質に関するバーチャルジャーナル
• RHICが異質な反物質を発見