クォーク・グルーオン・プラズマ

クォーク・グルーオン・プラズマ（QGPまたはクォーク・スープ）は、熱（局所運動）平衡および（ほぼ）化学（存在比）平衡にあるクォークとグルーオンの相互作用する局所的な集合体である。プラズマという言葉は、自由な色電荷が許されることを意味する。1987年の要約で、レオン・ヴァン・ホーヴェは、クォーク・グルーオン・プラズマ、クォーク物質、新しい物質状態という3つの用語の同値性を指摘した。^[2]温度がハーゲドン温度より高く、したがって軽いu、dクォークの質量のスケールより高いため、圧力は、温度の4乗（ ）と多くの実質的に質量のないクォークとグルーオンの構成要素によって支配される相対論的なシュテファン・ボルツマン形式を示す。QGPは、実質的に質量のないグルーオンとクォークのほぼ自由なダイナミクスによって物理的特性を発現する、強く相互作用する物質の新しい相として浮上したと言える。QGP と呼ばれる新しい物質状態になるには、 クォークとグルーオンの両方が、色荷が開いた状態で化学（収量）平衡に近い状態で存在する必要があります。${\displaystyle T^{4}}$

ビッグバン理論では、私たちが知っている物質が作られる前に、クォークグルーオンプラズマが宇宙全体を満たしていた。クォークグルーオンプラズマの存在を予測する理論は、1970年代後半から1980年代前半にかけて発展した。 ^[3]重イオン実験に関する議論もそれに続き、^{[4] [5] [6] [7] [8]}、最初の実験提案が翌年にCERN ^{[9] [10] [11] [12] [13] [14]}とBNL ^{[15] [16]}で提出された。クォークグルーオンプラズマ^{[17] [18]}は、2000年にCERNの実験室で初めて検出された。^{[19] [20] [21]}

クォーク・グルーオン・プラズマは、バリオン物質のハドロンを構成する素粒子が極めて高いエネルギー密度の下で互いの強い引力から解放された物質の状態である。これらの粒子は、バリオン物質を構成するクォークとグルーオンである。^[22]通常の物質ではクォークは閉じ込められているが、QGPではクォークは閉じ込められていない。古典的な量子色力学（QCD）では、クォークはハドロン（中間子と重粒子）のフェルミオン成分であり、グルーオンはそのような粒子のボソン成分であると考えられている。グルーオンはQCDカラー力の力のキャリア、つまりボソンであり、クォーク自体はフェルミオン物質の対応物である。

クォーク・グルーオン・プラズマは、ビッグバン後約20μsで基本的な自由度（クォーク、グルーオン）から物質が形成された際に宇宙に広がっていた高エネルギー密度の状態を再現し理解するために研究されている。実験グループは、物質の支配的な形態と自然法則を決定する量子真空構造の（脱）閉じ込めを「大きな」距離にわたって探査している。実験は物質と質量の起源についての洞察を与える。物質と反物質はクォーク・グルーオン・プラズマが「ハドロン化」したときに生成され、物質の質量は閉じ込め真空構造に由来する。^[19]

QCDは標準モデルと呼ばれる現代の素粒子物理学理論の一部である。この理論の他の部分は電弱相互作用とニュートリノを扱っている。電気力学の理論は10億分の数パーセントまでテストされ、正しいことがわかっている。弱い相互作用の理論は1000分の数パーセントまでテストされ、正しいことがわかっている。QCDの摂動形式は数パーセントまでテストされている。^[23]摂動モデルは基底状態からの変化が比較的小さい、つまり比較的低い温度と密度を仮定し、一般性を犠牲にして計算を簡素化する。対照的に、QCDの非摂動形式はほとんどテストされていない。高温と高密度の両方を持つQGPの研究は、素粒子物理学の壮大な理論を統合するこの取り組みの一部である。

QGP の研究は、高温条件下での素粒子物理学を理解しようとする理論物理学の一分野である有限温度場理論の実験場でもあります。このような研究は、宇宙の初期の進化、つまり最初の 100 マイクロ秒程度を理解するために重要です。これは、新世代の宇宙観測 ( WMAPおよびその後継機) の物理学の目標にとって極めて重要です。また、自然の 3 つの基本的な力 (重力を除く) を統一しようとする 大統一理論にも関連しています。

宇宙の形成に関する一般に受け入れられているモデルでは、宇宙はビッグバンの結果として形成されたとされています。このモデルでは、ビッグバン後の 10 ⁻¹⁰ –10 ⁻⁶秒の期間に、物質はクォーク・グルーオン・プラズマの形で存在していました。当時の物質の密度と温度を実験室環境で再現して、非常に初期の宇宙の特性を研究することができます。これまでのところ、唯一の可能性は、100 GeV を超えるエネルギーに加速された 2 つの重い原子核の衝突です。原子核の体積にほぼ等しい体積での正面衝突の結果を使用して、宇宙の誕生の最初の瞬間に存在していた密度と温度をモデル化することができます。

プラズマとは、他の可動電荷の存在により電荷が遮蔽される物質である。例えば、遮蔽によって クーロンの法則が抑制され、距離に依存する電荷 が生じる。つまり、電荷 Q は距離を遮蔽長 α で割ると指数関数的に減少する。QGP では、クォークとグルーオンの色電荷が遮蔽される。QGP には、通常のプラズマとの類似点が他にもある。色電荷は非可換 であるのに対し、電荷は可換であるという相違点もある。QGP の有限体積の外側では色電場は遮蔽されないため、QGP の体積は依然として色中性である。したがって、原子核と同様に、整数の電荷を持つことになる。 ${\displaystyle Q\rightarrow Qe^{-r/\alpha }}$

極めて高いエネルギーが関与するため、クォーク-反クォーク対は対生成によって生成され、QGP はさまざまなフレーバーのクォークと反クォークがほぼ等量混合したもので、クォークがわずかに過剰になるだけです。この特性は従来のプラズマの一般的な特徴ではなく、対生成には冷たすぎる可能性があります (ただし、対不安定性超新星を参照)。

この違いの1つの結果は、QEDの主流である摂動計算では色電荷が大きすぎることです。その結果、QGPの理論を探求するための主な理論的ツールは格子ゲージ理論です。^{[24] [25]}転移温度（およそ175  MeVの超高エネルギー粒子 (QGP ) は、格子ゲージ理論によって初めて予測されました。それ以来、格子ゲージ理論はこの種の物質の多くの他の特性を予測するために使用されてきました。AdS /CFT 対応の推測は QGP への洞察を提供する可能性があり、さらに流体/重力対応の究極の目標は QGP を理解することです。QGP は、完全に局所的に熱化され、したがって効果的な流体力学の記述に適した QCD の位相であると考えられています。

実験室でのQGPの生成は、重い原子核（加速器で原子がイオン化されるため重イオンと呼​​ばれる）を相対論的エネルギーで衝突させることによって達成され、そのエネルギーでは物質はハゲドン温度T _{H = 150 MeV /粒子よりも十分に加熱され、これは1.66×10} ¹² Kを超える温度に相当します。これは、2つの大きな原子核を高エネルギーで衝突させることによって達成できます（175 MeV は衝突ビームのエネルギーではない)。鉛と金の 原子核は、それぞれCERN SPSとBNL RHICでこのような衝突に使用されている。原子核は超相対論的な速度まで加速され(長さが収縮する)、お互いに向かって進み、まれに衝突した場合には「火の玉」を形成する。流体力学シミュレーションでは、この火の玉は自身の圧力で膨張し、膨張中に冷却すると予測されている。球状および楕円形の流れを注意深く研究することで、実験者は理論をテストしている。

相対論的重イオン衝突でクォーク・グルーオン・プラズマが生成されるという圧倒的な証拠がある。^{[26] [27] [28] [29] [30]}

実験観察の重要な種類は

• 奇妙さの演出
• 楕円フロー
• ジェットクエンチング
• J/ψ 融解
• ハンバリー・ブラウン効果とツイス効果およびボーズ・アインシュタイン相関
• 単一粒子スペクトル（熱光子と熱ダイレプトン）

通常のハドロン相からQGP相へのクロスオーバー温度は約156 MeV。^[31]この「クロスオーバー」は、実際には単なる定性的な特徴ではなく、3次元イジングモデルの普遍性クラスの真の（2次）相転移と関係している可能性があります。関連する現象は、1  GeV /fm ³。相対論的物質の場合、圧力と温度は独立変数ではないため、状態方程式はエネルギー密度と圧力の関係です。これは格子計算によって発見され、摂動論と弦理論の両方と比較されています。これはまだ活発に研究されている問題です。比熱やさまざまなクォーク数磁化率などの応答関数は現在計算中です。

完全液体の発見は物理学の転換点となった。RHIC での実験により、この驚くべき物質に関する豊富な情報が明らかになり、現在では QGP であることがわかっている。^[32]「室温」の核物質は超流体のように振舞うことが知られている。核流体は加熱されると蒸発し、核子の希薄ガスに変わり、さらに加熱すると重粒子と中間子 (ハドロン) のガスになる。臨界温度T _Hでハドロンは溶け、ガスは液体に戻る。RHIC の実験により、これはあらゆる規模の実験室実験でこれまで観察された中で最も完全な液体であることがわかった。溶解したハドロンからなるこの新しい物質相は、他の既知の物質よりも流動抵抗が少ない。RHIC の実験では、2005 年にはすでに、宇宙の始まりにはこのタイプの物質 (超液体) が均一に満たされていたこと、そして宇宙がT _H以下に冷却されると超液体が蒸発してハドロン ガスになったことがわかった。詳細な測定により、この液体はクォーク、反クォーク、グルーオンが独立して流れるクォーク・グルーオンプラズマであることが示されています。^[33]

簡単に言うと、クォーク・グルーオン・プラズマは液体の飛沫のように流れ、クォークに対して「透明」ではないため、衝突によって放出されるジェットを減衰させることができます。さらに、クォーク・グルーオン・プラズマのボールは、一度形成されると、他の高温の物体と同様に、放射によって内部で熱を伝達します。しかし、日常の物体とは異なり、十分なエネルギーがあるため、グルーオン（強い力を媒介する粒子）が衝突し、過剰な重い（つまり、高エネルギーの）ストレンジクォークを生成します。一方、QGPが存在せず、純粋な衝突があった場合、同じエネルギーがチャームクォークやボトムクォークなどのさらに重いクォークを含む非平衡混合物に変換されます。^{[34] [35]}

状態方程式は流れ方程式への重要な入力である。音速（QGP密度振動の速度）は現在、格子計算で調査中である。^{[36] [37] [38]}クォークとグルーオンの平均自由行程は、摂動論と弦理論を使用して計算されている。格子計算はここでは遅いが、輸送係数の最初の計算は完了している。^{[39] [40]これらは、QGP内のクォークとグルーオンの}平均自由時間が平均粒子間隔に匹敵する可能性があることを示している。したがって、QGPは流れの特性に関する限り液体である。これは非常に活発な研究分野であり、これらの結論は急速に進化する可能性がある。散逸現象を流体力学に組み込むことは、もう1つの活発な研究分野である。^{[41] [42] [43]}

1970年代後半には、CERNのスーパー陽子・反陽子シンクロトロンでジェットが生成されるという詳細な予測がなされた。^{[44] [45] [46] [47]} UA2は1981年にハドロン衝突でジェット生成の最初の証拠を観測し、^[48]その後まもなくUA1によって確認された。^[49]

このテーマは後にRHICで復活した。RHICのエネルギーで得られる最も顕著な物理的効果の1つは、クエンチングジェットの効果である。^{[50] [51] [52]}衝突する相対論的原子核の相互作用の第一段階では、衝突する原子核のパートンが3～6 GeV/s以上の大きな横方向の衝撃を持つ二次パートンを生成する。高温で圧縮されたプラズマを通過すると、パートンはエネルギーを失う。パートンによるエネルギー損失の大きさは、クォーク-グルーオンプラズマの特性（温度、密度）に依存する。さらに、色のついたクォークとグルーオンがプラズマの基本物体であるという事実も考慮する必要があり、これは無色のハドロンからなる媒体中のパートンによるエネルギー損失とは異なる。クォーク-グルーオンプラズマの条件下では、RHICエネルギーから生じるパートンによるエネルギー損失は⁠ ⁠${\displaystyle {\frac {dE}{dx}}=1~{\text{GeV/fm}}}$と推定される。この結論は、同じ衝突エネルギーでの核子-核子衝突と核-核衝突における大きな横方向の衝撃を持つハドロンの相対的生成量を比較することによって確認されます。核子-核子衝突における大きな横方向の衝撃を持つパートンによるエネルギー損失は、核-核衝突の場合よりもはるかに小さく、それが核-核衝突における高エネルギーハドロンの生成量の減少につながります。この結果は、核衝突を核子-核子衝突の単純な重ね合わせと見なすことはできないことを示唆しています。約 1 μs の短時間、最終体積では、クォークとグルーオンが理想的な液体を形成します。この流体の集団的特性はその全体としての移動中に現れます。したがって、この媒体でパートンを移動させるときは、このクォーク-グルーオン液体のいくつかの集団的特性を考慮する必要があります。エネルギー損失は、クォーク・グルーオン媒体の特性、結果として生じる火球のパートン密度、およびその膨張のダイナミクスに依存する。火球の通過中に軽いクォークと重いクォークによって失われるエネルギーはほぼ同じであることが判明している。^[53]

2010年11月、CERNは重イオン衝突実験に基づいて、ジェットの消滅を初めて直接観測したと発表した。^{[54] [55] [56] [57]}

直接光子とダイレプトンは、相対論的重イオン衝突を研究するための最も鋭いツールであると言えるでしょう。これらは、強く相互作用する火球の時空進化にわたるさまざまなメカニズムによって生成されます。原理的には、初期段階のスナップショットも提供します。信号のほとんどは、QGP火球が崩壊してからずっと後のハドロン崩壊から発生するため、解読や解釈は困難です。^{[58] [59] [60]}

2008年以来、クォーク・グルーオン・プラズマの仮説的な前駆状態、いわゆる「グラスマ」についての議論があり、そこでは、閉じ込められた状態とプラズマ液体との間の真の遷移よりも下で、ドレスド粒子がある種のガラス状（または非晶質）状態に凝縮される。^[61]これは、液体金属状態の真の開始よりも下で、金属ガラス、またはその非晶質合金が形成されることに類似している。

クォーク・グルーオン・プラズマを生成すると予測される実験的高温・高密度は実験室で実現されているが、結果として生じる物質はクォークとグルーオンの準理想状態としてではなく、むしろほぼ完全な高密度流体として振舞う。^[62]実際、クォーク・グルーオン・プラズマが現在の加速器で実現される温度ではまだ「自由」ではないという事実は、閉じ込めの残留効果の結果として1984年に予測されていた。^{[63] [64]}

いくつかの大質量中性子星の中心核はクォーク・グルーオン・プラズマである可能性があるという仮説が立てられている。^[65]

クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）^[66]またはクォーク・スープ^{[67] [68]}は、量子色力学（QCD）における物質の状態であり、極めて高い温度および/または密度で存在する。この状態は、通常は原子核または他のハドロン内に色の閉じ込めによって閉じ込められている、漸近的に自由な 強い相互作用をするクォークとグルーオンで構成されていると考えられている。これは、常温で静電気力によって原子内に閉じ込められた原子核と電子が自由に移動できる従来のプラズマと類似している。人工クォーク物質を作成する実験は1986/87年にCERNで開始され、1991年に最初の主張が発表された。 ^{[69] [70]}このアイデアが素粒子物理学者と原子核物理学者のコミュニティに受け入れられるまでには数年を要した。 Pb-Pb衝突による新しい物質状態の形成は、1999年のCERN SPS WA97実験で提示された説得力のある実験結果^{[71] [30] [72]}と、後に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[73]によって詳述されたことを受けて、CERNで公式に発表された。^{[74 ] [29]}クォーク物質は微量しか生成できず、不安定で封じ込めが不可能であり、ハドロン化によって数分の1秒以内に放射性崩壊して安定した粒子になる。生成されたハドロンまたはその崩壊生成物とガンマ線は、その後検出できる。クォーク物質相図では、QGPは高温高密度領域に配置されますが、通常の物質は原子核と真空の冷たく希薄な混合物であり、仮想のクォーク星は比較的冷たく高密度のクォーク物質で構成されるビッグバンから数マイクロ秒（10 ⁻¹²～ 10 ^{−6秒）後、いわゆる}クォーク時代まで、宇宙はクォーク・グルーオン・プラズマ状態にあったと考えられています。

カラーフォースの強さは、気体のようなプラズマとは異なり、クォーク・グルーオン・プラズマがほぼ理想的なフェルミ液体として振る舞うことを意味するが、流動特性についての研究が進行中である。^{[75] RHIC [76]}とLHCのコンパクト・ミューオン・ソレノイド検出器の研究チームによって、ほとんど摩擦抵抗や粘性のない液体またはほぼ完全な液体の流れが主張された。^[77] QGPはいくつかの特徴によって「自由」衝突イベントと異なる。たとえば、その粒子内容は、軽いクォークと重いクォークが混ざった非平衡分布（「ストレンジネス生成」）に対して、一時的な化学平衡によって過剰な中エネルギーのストレンジクォークが生成されることを示しており、粒子ジェットが通過するのを許可しない（「ジェットクエンチング」）。

1980年代から1990年代にかけて、CERNのスーパープロトンシンクロトロン（SPS）での実験により、QGPを作成するための実験が開始されました。その結果、CERNは2000年に「新しい物質の状態」の証拠を発表しました^{[78] 。 [79]}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の科学者は、金イオンをほぼ光速で衝突させ、4兆度の温度に達するクォークグルーオンプラズマを作成したと発表しました。^[80]現在（2017年）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）ロングアイランド（米国ニューヨーク州）と欧州原子核研究機構（CERN）の最近の大型ハドロン衝突型加速器（ ^{LHC ）で行われている実験では、相対論}的に加速された金やその他のイオン種（RHIC）または鉛（LHC）を互いに、または陽子と衝突させることで、この取り組みを継続しています。^[82] CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で実行されている3つの実験、分光計ALICE、^[83] ATLAS、CMSでは、QGPの特性の研究が続けられています。 CERNは一時的に陽子の衝突を中止し、QGPを作成するために、2011年にALICE実験で鉛イオンの衝突を開始しました。 ^{[84] 2012年8月、欧州原子核研究機構（CERN）の}大型イオン衝突型加速器実験ALICEで、5.5兆（ 5.5 × 10 ¹²）ケルビンであるとNature PRで主張されている。^[85]

クォーク・グルーオン・プラズマの形成は、重イオンと呼​​ばれる重い原子核の衝突の核子を構成するパートン（クォーク、グルーオン）間の強い相互作用の結果として起こる。そのため、この実験は相対論的重イオン衝突実験と呼ばれる。理論的および実験的研究によると、クォーク・グルーオン・プラズマの形成は、T ≈ 150–160 MeV（ハーゲドン温度）、エネルギー密度 ≈ 0.4–1 GeV / fm ³の温度で起こる。当初は相転移が予想されていたが、現在の理論的解釈では、通常の物質がイオンおよび電子プラズマに電離するプロセスに似た相転移が提案されている。^{[86] [87] [88] [89] [29]}

クォーク・グルーオン・プラズマの形成における中心的な課題は、脱閉じ込めの開始に関する研究である。QGPの形成に関する研究の当初から、原子核衝突でエネルギー密度を達成できるかどうかが課題であった。これは、各核子がどれだけのエネルギーを失うかに依存する。影響力のある反応図は、ビョルケンによって提示されたスケーリング解であった。^[90]このモデルは超高エネルギー衝突に適用される。CERN SPSとBNL RHICで行われた実験では、より複雑な状況が発生し、通常は3つの段階に分けられる。^[91]

• 一次パートン衝突と重粒子衝突は、衝突する原子核が完全に重なり合った時点で停止します。
• QGP 火球内で粒子エネルギーの再分配と新しい粒子が生まれる。
• QGP 物質の火の玉は、ハドロン化する前に平衡状態になり、膨張します。

ますます多くの実験的証拠がQGP形成メカニズムの強さを示しており、これはLHCエネルギー規模の陽子-陽子衝突でも機能している。^[27]

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• ウィキメディア・コモンズのクォークグルーオンプラズマに関連するメディア
• 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
• アリス実験はCERN のWayback Machineで 2011-06-02 にアーカイブされました
• インド格子ゲージ理論イニシアチブ
• クォーク物質レビュー: 2004 年の理論、2004 年の実験
• クォーク・グルーオン・プラズマレビュー: 2011年の理論
• ラティスレビュー: 2003、2005
• ブルックヘブンの結果を述べた BBC の記事 (2005 年)
• クォーク・グルーオン液体に関するPhysics News Updateの記事（プレプリントへのリンク付き）
• 無料でお読みください：Jean Letessier およびJohann Rafelski著「Hadrons and Quark–Gluon Plasma」 、Cambridge University Press (2002) ISBN 0-521-38536-9、ケンブリッジ、英国。