ストレンジネスとクォーク・グルーオン・プラズマ

高エネルギー原子核物理学では、相対論的重イオン衝突におけるストレンジネス生成は、クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の形成と特性の特徴および診断ツールです。^{[1]日常的な物質を構成する}アップクォークやダウンクォークとは異なり、ストレンジやチャームなどのより重いクォークフレーバーは、通常、動的な進化の過程で化学平衡に近づきます。QGP（クォーク物質とも呼ばれる）は、必ずしも化学（存在比）平衡ではなく、熱（運動）平衡にある、相互作用する局所的なクォークとグルーオンの集合体です。プラズマという言葉は、色のついた荷電粒子（クォークやグルーオン）がプラズマが占める体積内を移動できることを示しています。 ストレンジクォークの豊富さは、プラズマの構成要素間の衝突における対生成過程で形成され、化学存在比の平衡を作り出します。主な生成メカニズムには、物質がクォーク・グルーオン・プラズマになったときにのみ存在するグルーオンが関与しています。クォーク・グルーオン・プラズマが崩壊過程でハドロンに分解すると、ストレンジ反クォークの高可用性が、他の方法ではめったに生成されない複数のストレンジクォークを含む反物質の生成に役立ちます。同様の考慮が現在、より重いチャームフレーバーに対して行われています。これは、最初の相互作用の衝突プロセスの開始時に生成され、 CERNの大型ハドロン衝突型加速器の高エネルギー環境でのみ豊富です。

^{自由クォークは、おそらく}、ビッグバン後約30マイクロ秒まで、宇宙の極限状態で、自由クォーク、反クォーク、グルーオンからなる非常に高温のガスの中に存在していた。このガスは、クォーク相互作用電荷（色荷）が可動であり、クォークとグルーオンが動き回ることから、クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）と呼ばれる。これが可能なのは、高温では初期宇宙が別の真空状態にあり、その状態では通常の物質は存在できないが、クォークとグルーオンは存在できるからである。つまり、それらは解放されている（別々の非結合粒子として独立して存在できる）。実験室でこの解放された物質相を再現するには、最低温度、またはそれに相当する最低エネルギー密度を超える必要がある。科学者たちは、極めて高速での粒子衝突を利用してこれを実現しています。衝突で解放されたエネルギーによって、素粒子のエネルギーが極めて高いレベルまで上昇し、光が QGP の火の玉を横切るのに必要な時間、つまり約 10 ^{−22秒と少しの間、実験室実験で研究できる微量のクォーク - グルーオン プラズマを短時間形成するのに十分なレベルになります。この短時間の後、クォーク プラズマのホット ドロップは}ハドロン化と呼ばれるプロセスで蒸発します。これは、実質的にすべての QGP コンポーネントが相対論的な速度で流れ出るためです。このようにして、宇宙の年齢が 10 ～ 40 マイクロ秒の初期宇宙に似た状態を研究することができます。

この新しい QGP物質状態の発見は、 CERN ^[3]とブルックヘブン国立研究所(BNL) ^[4]の両方で発表されました。これらの発見を可能にする準備作業は、ベヴァラックの合同原子核研究所(JINR) とローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)で行われました。^[5]新しい実験施設、GSI ヘルムホルツ重イオン研究センター(GSI)のFAIRと JINR の NICA が建設中です。QGP の特徴としてのストレンジネスは、1983 年に初めて調査されました。 ^[6]その特性に関する包括的な実験的証拠が集められています。CERNのALICE コラボレーション^[7]による最近の研究は、非常に高エネルギーの pp 衝突における QGP とストレンジネス生成の研究への新しい道を開いた。

クォーク・グルーオン・プラズマの診断と特性の研究は、私たちの周囲にある物質には存在しないクォークを使って行うことができます。実験と理論の研究は、ストレンジネス増大というアイデアに基づいています。これは、1980 年にヨハン・ラフェルスキーとロルフ・ハーゲドルンによって提唱された、クォーク・グルーオン・プラズマの最初の観測量でした。^[8]アップクォークやダウンクォークとは異なり、ストレンジクォークは衝突する原子核によって反応に持ち込まれることはありません。したがって、実験で観察されるストレンジクォークや反クォークは、グルーオンを触媒として、衝突する原子核の運動エネルギーから「新しく」作られたものです。^[9]都合の良いことに、ストレンジクォークと反クォークの質量は、陽子、中性子、その他のハドロンがクォークに溶解する温度またはエネルギーに相当します。これは、ストレンジクォークの存在量が、非閉じ込め物質相の条件、構造、ダイナミクスに敏感であり、その数が多ければ、非閉じ込め条件に達したと想定できることを意味します。ストレンジネス増大のさらに強力な特徴は、ストレンジ反重粒子の大幅な生成増大です。^{[10] [11]} QGPの特徴としてのストレンジネスに関する初期の包括的なレビューは、Koch、Müller、Rafelskiによって発表され、^[12]最近更新されました。^[13]生成されたストレンジ反重粒子、特に反オメガの存在量により、完全に非閉じ込めされた大きなQGP領域^{[14]を、Biró、} Nielsen 、Knollによって提案されたカラーロープモデルなどの過渡的集団クォークモデルと区別することができました。^[15]の相対的な存在量は、ストレンジネス増大の標準モデルによって提起された疑問を解決します。 [ ^{16 ]}${\displaystyle {\bar {\Omega }}({\bar {s}}{\bar {s}}{\bar {s}})}$${\displaystyle \phi (s{\bar {s}})/{\bar {\Xi }}({\bar {q}}{\bar {s}}{\bar {s}})}$

いかなる状況下でもストレンジクォークの生成量が熱平衡にあるとは仮定できない。一般に、プラズマのクォークフレーバー組成は、ストレンジネスなどの新しいフレーバーのクォークが内部で生成されるため、その極めて短い寿命の間に変化する。通常の物質を構成するアップクォークとダウンクォークは質量が小さいため、熱い火の玉の中でクォーク-反クォーク対として容易に生成される。一方、次に軽いクォークフレーバーであるストレンジクォークは、十分な時間と温度があれば、高いクォーク-グルーオンプラズマ熱存在比に達する。^[13]この研究は、T. ビロとJ. ジマニによって提案されたストレンジネス生成の運動論を詳述したもので、ストレンジクォークはクォーク-反クォーク反応だけでは十分な速さで生成できないことを実証した。^[18] QGPで単独で機能する新しいメカニズムが提案された。

QGP におけるストレンジネス収量の収量平衡は、ラフェルスキとミュラーによって示されたグルーオン融合という新しいプロセスによってのみ可能となる。^[9]ファインマン図の上部には、新しいグルーオン融合プロセスが示されている。グルーオンは波線、ストレンジクォークは実線で、時間は左から右に進む。下部は、破線で示された軽いクォーク対から重いクォーク対が発生するプロセスである。グルーオン融合プロセスは、クォークベースのストレンジネスプロセスよりもほぼ 10 倍速く発生し、クォークベースのプロセスでは「マイクロバン」の期間中に達成できなかった高い熱収量を達成することができる。^[19]

新しく生成された対と正規化された軽いクォーク対の比率、つまりWroblewski比^[20]は、ストレンジネス生成の有効性の尺度と考えられています。この比率は重イオン衝突で2倍以上になり、^[21] QGPを生成する衝突で機能するストレンジネス生成の新しいメカニズムをモデルに依存しない方法で確認します。 ${\displaystyle {\bar {s}}s}$${\displaystyle {\bar {u}}u+{\bar {d}}d/2}$

チャームとボトムフレーバーについて：^{[22] [23]}ここでのグルーオン衝突は熱物質相内で発生しており、したがって、原子核が互いに衝突する衝突の初期段階で発生する高エネルギー過程とは異なります。そこでは、より重いチャームクォークとボトムクォークが主に生成されます。相対論的原子核（重イオン）衝突におけるチャーム粒子と、まもなくボトムハドロン粒子の生成に関する研究は、ストレンジネスに加えて、実験室でのクォークグルーオンプラズマの形成、進化、ハドロン化のメカニズムの補完的かつ重要な確認を提供します。^[7]

これらの新たに調理されたストレンジ クォークは、高温のクォーク グルーオン プラズマの火の玉が崩壊するときに出現するさまざまな最終粒子の多数に混ざり合います。図のさまざまなプロセスの図を参照してください。「火の玉」には反クォークが容易に供給されているため、複数のストレンジ クォークを含む反物質粒子も多数存在します。一方、核子と核子の衝突が連続するシステムでは、同じ衝突プロセスで比較的起こりそうにない複数のイベントが発生するため、複数のストレンジ 反物質が生成される頻度は低くなります。このため、クォーク物質の存在下で生成される複数のストレンジ 反物質粒子の収量は、従来の一連の反応に比べて増加すると予想されます。^{[24] [25]}ストレンジ クォークは、互いに結合しやすい重いチャーム クォークやボトム クォークとも結合します。したがって、これらのクォークが多数存在すると、非常に異常に豊富なエキゾチック粒子が生成される可能性があります。その一部はこれまで観測されたことがありません。これは、CERNの新しい大型ハドロン衝突型加速器でチャームクォークやストレンジクォーク、さらにはボトムクォークを構成要素として持つ粒子の今後の探査にも当てはまるはずです。 ^[26]

ストレンジクォークは自然に放射性であり、弱い相互作用によってより軽いクォークに崩壊しますが、その時間スケールは原子核衝突時間に比べて非常に長いです。これにより、崩壊生成物が残した軌跡からストレンジ粒子を検出することは比較的容易です。例として、負に帯電した重粒子（図の緑、dss）が負のパイオン（${\displaystyle \Xi}$
あなた
d) および中性(uds)重粒子 です。その後、 は陽子と別の負のパイオンに崩壊します。一般に、これが の崩壊の特徴です。負(sss)重粒子は同様の最終状態の崩壊トポロジーを持ちますが、崩壊生成物が異なるため と は明確に区別できます。${\displaystyle \Lambda}$${\displaystyle \Lambda}$${\displaystyle \Xi}$${\displaystyle \オメガ}$${\displaystyle \Xi}$

(uss/dss)、 (sss)、特にそれらの反粒子の豊富な生成の測定は、クォーク・グルーオン・プラズマが形成されたという主張の重要な基礎である。^[27]この豊富な生成は、通常の陽子-陽子衝突からのスケール化された期待値と比較して提示されることが多いが、従来のモデルの期待に反する大きな絶対収量を考慮すると、そのような比較は必要なステップではない。^[12]新しい形態の物質が達成された場合、ストレンジネスの全体的な収量も予想よりも大きい。しかし、軽いクォークもグルーオン融合プロセスで生成されることを考慮すると、すべてのハドロンの生成が増加すると予想される。ストレンジ粒子と非ストレンジ粒子の相対収量を研究することで、これらのプロセスの競合、ひいては粒子生成の反応メカニズムに関する情報が得られる。 ${\displaystyle \Xi}$${\displaystyle \オメガ}$

^{Koch、Muller、Rafelski [12]}の研究によると、クォーク-グルーオン プラズマのハドロン化プロセスでは、各粒子種の増強は粒子のストレンジネス含有量とともに増加すると予測されています。1 個、2 個、3 個のストレンジ クォークまたは反ストレンジ クォークを運ぶ粒子の増強が測定され、この効果は CERN WA97 実験^{[28]によって実証されました。これは、2000 年の CERN の発表[29]}に間に合うように行われました。^[30]これらの結果は、後継の共同研究 NA57 ^[31]によって、反重粒子の増強の図に示されているように詳しく述べられています。衝突に参加する核物質の量を表す変数の関数として、したがって核衝突の幾何学的中心性の関数として、増強が徐々に上昇することは、通常の物質反応よりもクォーク-グルーオン プラズマ源に非常に有利です。

同様の増強は、RHICでのSTAR実験でも得られました。^[32]ここでは、各ビームで100 A GeVで衝突する2つのシステムで得られた結果を検討しています。赤は重い金同士の衝突、青はより小さな銅同士の衝突です。RHICのエネルギーは、以前のCERNの研究と比較して、CM参照フレームで11倍大きくなっています。重要な結果は、STARで観測された増強も、参加する核子の数とともに増加することです。さらに、参加者数が最小の最も周辺的なイベントでは、銅と金のシステムが、同じ参加者数で、予想どおり同じ増強を示していることにも注目します。

CERN と STAR を比較したこれらの結果のもう 1 つの注目すべき特徴は、反応で発生する衝突エネルギーが大きく異なるにもかかわらず、増強が同様の規模であることです。増強がエネルギーにほぼ依存しないというこの事実は、これらの粒子の生成メカニズムに関するクォーク グルーオン プラズマ アプローチとも一致しており、クォーク グルーオン プラズマが、おそらく最小エネルギー閾値を超えると、広範囲の衝突エネルギーにわたって生成されることを裏付けています。

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のALICEコラボレーションによって報告された（ストレンジ）粒子スペクトルの非常に高い精度と大きな横方向運動量カバレッジにより、新しい物理学に常に伴う長引く課題、特にストレンジネスの特徴をめぐる疑問を深く探究することが可能になった。最も議論された課題の1つは、生成される粒子の存在量が増大するのか、それとも比較ベースラインが抑制されるのかという問題であった。ストレンジネスなどの、そうでなければ存在しない量子数がめったに生成されない場合、抑制が予想される。この状況は、粒子生成の初期の分析^[37]でハゲドルンによって認識され、ラフェルスキとダノスによって解決された。^[38]その研究では、ストレンジ粒子の新しいペアが数組生成されただけでも、その効果は消えることが示された。しかし、この問題はハミーら^[17]によって再燃し、QGPの小さなサブボリュームが関連している可能性があると主張した。この議論は、特定の敏感な実験シグネチャ、例えば異なるタイプの二重ストレンジ粒子の比率、例えば( ) と( ) の収量などを調べることによって解決できます。ALICE実験では、生成された粒子の総多重度で記述されるハドロン化体積の広い範囲で、いくつかの衝突システムについてこの比率が得られました。結果は、この比率が広範囲の体積 (2 桁) で期待される値をとることを示しています。粒子の体積または多重度が小さい場合、曲線は期待される減少を示します。生成されるストレンジ ペアの数が減少するため、 ( ) は( )に比べて小さくなるはずであり 、したがって、最低 2 ペアの作成が必要な( )に比べて( )の作成が容易になります。ただし、非常に高い体積では増加も見られます。これは、1 ～ 2 標準偏差レベルの効果です。同様の結果は、以前に Petran らによってすでに認識されていました。^[16]${\displaystyle ssq}$${\displaystyle \Xi }$${\displaystyle {\bar {s}}s}$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle ssq}$${\displaystyle \Xi }$${\displaystyle {\bar {s}}s}$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle {\bar {s}}s}$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle ssq}$${\displaystyle \Xi }$

もう一つの高く評価されているALICEの結果^[7]は、AA（原子核-原子核）だけでなく、pA（陽子-原子核）およびpp（陽子-陽子）衝突でも、粒子生成収量が多重度の関数として表される場合、同様のストレンジネスの増大が観察されることです。多重度は、前述のように、利用可能なハドロン化体積に対応します。ALICEの結果は、研究対象のすべての粒子の総収量が体積の関数として滑らかな体積依存性を示しており、追加の「標準的な」抑制はありません。^[17]これは、QGPのストレンジペアの収量が十分に高く、QGPの体積と寿命が増加するにつれて予想される存在量の増加をうまく追跡しているためです。この増加は、すべての反応体積に対してQGPは常にストレンジネスの化学的（収量）平衡にあるという仮説と矛盾します。代わりに、これはRafelskiとMüllerによって提案された理論的な運動モデルを裏付けています。^[9] pp衝突におけるQGPの生成は誰もが予想していたわけではないが、驚くべきことではない。脱閉じ込めの開始は、当然のことながら、エネルギーと衝突システムのサイズの両方の関数である。極限LHCエネルギーで、ppなどの最小の基本衝突システムを使用した実験でもこの境界を越えるという事実は、QGP形成につながるプロセスの予想外の強さを裏付けている。ppおよびその他の「小さな」システム衝突における脱閉じ込めの開始は、依然として活発な研究テーマである。

ストレンジネス以外にも、LHCのエネルギー範囲によってもたらされる大きな利点は、チャームとボトムフレーバーの豊富な生成である。^[22] QGPが形成されると、これらのクォークは存在する高密度のストレンジネスに埋め込まれる。これにより、例えば、エキゾチックな重い粒子が大量に生成されるはずである。
だ
_s現時点では発見されていない他の強い風味の粒子も出現する可能性がある。^{[39] [40]}

CERN重イオン計画の始まりを振り返ると、クォーク・グルーオン・プラズマの発見が事実上発表されている。CERN- NA35 ^[25]とCERN-WA85 ^[42]の実験協力は、 1990年5月にフランスのマントンで開催されたクォーク物質会議で、重イオン反応での形成を発表した。データは、1つの反ストレンジクォークと反アップクォークおよび反ダウンクォークからなるこの反物質粒子の生成が大幅に増加したことを示している。粒子の3つの構成要素はすべて、反応で新た​​に生成された。WA85の結果は理論的予測と一致した。^[12]発表された報告書では、WA85は結果をQGPと解釈した。[ ^43] NA35のデータには大きな系統的誤差があったが、それはその後数年で改善された。さらに、協力協力ではppバックグラウンドを評価する必要があった。放出のピークは、追加で形成された反物質粒子が衝突した原子核自体から発生したのではなく、両方の原子核が衝突したときに形成される共通の運動量基準フレームの中心である入射原子核の速度の半分に相当する速度で移動する発生源、つまり熱いクォーク・グルーオン・プラズマの火の玉から発生したことを示しています。 ${\displaystyle {\bar {\Lambda }}}$${\displaystyle {\bar {\Lambda }}}$

最も興味深い疑問の 1 つは、反応エネルギーや体積の大きさに閾値があり、それを超えるとクォークが自由に動ける領域が形成されるかどうかである。^[44]そのような閾値が存在する場合、上で示した粒子収量/比率がそれを示していると予想するのは当然である。^{[45]最もアクセスしやすいシグネチャの 1 つは、相対的な}K中間子収量比である。^[46]考えられる構造が予測されており、^[47]実際、図に示されているように、正の K 中間子 K (反 s クォークとアップクォークを含む) と正のパイ中間子粒子の比率に予期しない構造が見られる (実線記号)。比率の上昇と下降 (四角記号) は、CERN NA49によって報告されている。^{[48] [49]}負の K 中間子粒子がこの「角」の特徴を示さない理由は、s クォークがラムダ粒子に束縛されてハドロン化することを好むためであり、ラムダ粒子では対応する構造が観察される。図中のBNL-RHIC-STARのデータポイント（赤い星）はCERNデータと一致しています。

これらの結果を考慮して、CERN SPSで進行中のNA61/SHINE実験と、BNL RHICで提案されている低エネルギー実験の目的は、特に STAR 検出器を使用して、ホーン最大値が見られる領域でエネルギーの関数としてクォーク-グルーオン プラズマの生成の開始を探索し、これらの結果の理解を深め、他の関連するクォーク-グルーオン プラズマ観測量の挙動を記録することです。

ストレンジネス生成と、それがクォーク・グルーオン・プラズマの特徴として診断に使える可能性については、30 年近く議論されてきました。今日この分野における理論的研究は、全体的な粒子生成データの解釈と、崩壊時のクォーク・グルーオン・プラズマ全体の結果として生じる特性の導出に焦点が当てられています。^[33]生成されたすべての粒子の全体的な記述は、クォーク・グルーオン・プラズマのハドロン化するホット ドロップの図、または閉じ込められ平衡化したハドロン物質の図に基づいて試みることができます。どちらの場合も、統計的熱生成モデル内でデータを記述しますが、細部にかなりの違いがあり、これらの粒子の発生源の性質が異なります。この分野で研究している実験グループは、独自のデータ分析モデルを開発することも好んでおり、外部の観察者はさまざまな分析結果を目にします。反応エネルギー、反応中心性、ストレンジネス含有量の関数として QGP に予測されるパターンに従う粒子種は、10 ～ 15 種類もあります。さらに高い LHC エネルギーでは、ストレンジネス収量の飽和と重いフレーバーへの結合により、新たな実験の機会が開かれます。

クォーク・グルーオン・プラズマの特徴としてストレンジネスを研究している科学者は、専門の会議で結果を発表し議論する。よく知られているのは、1995年にアリゾナ州ツーソンで初めて開催されたクォーク物質のストレンジネスに関する国際会議シリーズである。 ^{[50] [51]}この会議の最新版は2019年6月10日から15日にイタリアのバーリで開催され、約300人の参加者を集めた。[ ^{52] [53]}より一般的な会場はクォーク物質会議で、前回は2023年9月3日から9日に米国ヒューストンで開催され、約800人の参加者を集めた。^{[54] [55]}

• 重イオン衝突における臨界構造の探索の簡単な歴史、マレク・ガズジッキ、マーク・ゴレンスタイン、ピーター・セイボス、2020年。^[5]
• クォーク・グルーオン・プラズマの発見：ストレンジネス・ダイアリー、ヨハン・ラフェルスキ、2020年。^[33]
• CERN-SPSにおける4つの重イオン実験：思い出の旅、エマヌエーレ・クエルチグ、2012年。^[56]
• 高エネルギー衝突における多粒子生成の歴史について、マレク・ガズジツキ、2012年。^[57]
• ストレンジネスとクォーク・グルーオン・プラズマ：発見の30年、ベルント・ミュラー、2012年。^[58]

• クォーク・グルーオン・プラズマ
• クォーク物質
• ハドロン化
• ストレンジレット
• 奇妙な粒子

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