陽子は一見単純で、3つのクォークから構成され、グルーオンの相互作用によって維持されています。しかし、この表面上の印象は誤解を招く可能性があります。新しい測定結果は、陽子の最も基本的な特性のいくつかがこの3つのクォークとは無関係である可能性があることを示しています。測定データは、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）にあるSTAR（スパイラルトラッカー）検出器から得られたもので、同施設は最近、クォークとグルーオンの探査に関する25年間の最終ラウンドの衝突を完了しました。結果は、バリオン数——陽子や中性子などの物質と他の粒子の量子特性を区別する量——が、グルーオンから構成される隠れたY字型構造によって担われる可能性があることを示唆しています。
アーゴン国立研究所の研究者トミー・ツァン氏は、「単純なクォークモデルでは、陽子の内部には3つのクォークしかありませんが、深く観察すると、3つのクォークだけでなく、多くのグルーオンが相互作用し、さらにクォークと反クォークが真空から現れることがわかります。したがって、実際には非常に複雑な物体です。」と述べています。これらの発見が確認されれば、物質における自然の基本的な保存則がどのように機能するかに関する現在の標準的な見解に挑戦することになります。
陽子内部構造の複雑性が伝統的モデルに挑戦
各陽子と中性子のバリオン数は+1です。数十年間、物理学者は通常、この数字を各粒子内の3つの価クォークに平均的に分配し、各クォークが3分の1のバリオン数を持つと考えてきました。しかし、ここには問題があります。陽子内部に含まれるクォークの数は3つをはるかに超えています。その内部は、グルーオン、クォーク、反クォークの海で絶えず変化しており、すべては強い相互作用の理論である量子色力学に支配されています。したがって、科学者たちはバリオン数がクォークに属するのか、それらを結びつけるグルーオン構造に属するのかを直接確認したことがありません。1970年代に理論的に提案された代替案は、バリオン結合点——3つのクォークを結びつけるグルーオン場のY字型配置です。
STARコラボレーションは、現在この見解を支持する証拠を発見しました。
研究者たちは、陽子内部を観察するだけでなく、RHICを粒子レベルのストレステストとして利用しました。STARは、等重核衝突や光子核衝突を含むいくつかの高エネルギー衝突を分析し、衝突後のバリオンとその反物質対応物の生成位置を比較しました。チームはまた、新しい結果を以前のAu+Au衝突測定と比較しました。重要な手がかりは、バリオン数の予期しない過剰です。「STAR検出器では、衝突ビームの方向に垂直な方向でバリオン数の過剰が持続的に観察されています。」とツァン氏は付け加えました。もし3つの価クォークがバリオン数の唯一の責任であれば、過剰なバリオン数はこれらのクォークが持つ電荷と一致するはずです。
電荷は、研究者たちに衝突中にどれだけの価クォークが停止したかを推定する独立した方法を提供しました。しかし、STARが発見したバリオン生成量は、測定された電荷に基づいて推定された価クォークの停止数の約2倍でした。
この研究では、これはモデルが予測するB/ΔQ比よりも大きな数値として現れ、モデルは価クォークがバリオン数を担うと仮定しています。もしバリオン数が3つの高速で動くクォークに伴って移動するだけであれば、この不一致は説明が難しいです。バリオン結合点モデルは別の可能性を提供します。RHICエネルギーの下で、陽子内部には大量のグルーオンが含まれています。グルーオンが分裂し増殖するにつれて、3つの価クォークは陽子の大部分の前進運動量を保持し、バリオン結合点は相対的に少なくなります。衝突過程では、結合点はクォークよりも停止しやすいかもしれません。この場合、停止した結合点は新しいバリオンの生成を促進し、元のクォークは束流方向に沿って移動し続けます。
バリオン結合点は3つの色荷を結びつけるため、3つの新しいクォークを効果的に募集し、新しいバリオンを形成することができます。これが、バリオン数が元のクォークから遠くに現れる理由を説明するかもしれません。
研究者たちは光子核衝突で測定した純陽子生成量の中に別の手がかりを発見しました。この分布の非対称性は、バリオン数が価クォークに分配されるというモデルの予想を下回っています。STARはまた、奇クォーク生成量の抑制を考慮した場合、中快速純超子生成量の束流エネルギー依存性がほぼ無味であることを発見しました。この特徴はバリオン結合点輸送と一致しています。これらの観察結果は、価クォークが唯一のバリオン数担体であるという見解がもはや成り立たないことを示しています。これらの結果は、RHIC研究のデータを増加させ、衝突が極端な条件下でクォークとグルーオンの予期しない挙動をどのように明らかにするかを示しています。これには、これらの衝突で生成されるクォーク-グルーオンプラズマの特異な性質が含まれます。
この結果は、科学者たちがこの謎を完全に解明したことを意味するものではありません。証拠は衝突パターンと理論モデルとの比較から得られており、陽子内部のバリオン結合点を直接観察したものではありません。しかし、これらの示唆の意義はRHICを超えています。バリオン数の保存は、通常の物質の安定性や宇宙論における最も深い謎の一つ、すなわちなぜ宇宙に反物質よりもはるかに多くの物質が存在するのかに密接に関連しています。反物質実験は、物質がビッグバンの中でどのように生き残ったのかを説明しようと努力しているため、バリオン数に対するより深い理解は宇宙論にとって潜在的に重要です。
バリオン数は、個々の陽子や中性子が他のバリオンに変わる際に保存されます。変わらないのは総バリオン数です。RHICは2026年初頭に運転を停止するため、今後の実験は既存のデータと強い相互作用を探測できる他の施設に依存する必要があります。電子-イオン衝突機は、その重要な後継者の一つであり、この施設はクォークとグルーオンが物質の構造をどのように構築するかを探ることを目的としています。次の課題は、異なる衝突システムとエネルギーにおいて、同じグルーオン駆動メカニズムが一貫してバリオン輸送を説明するかどうかを確認することです。もしそうであれば、陽子は再考される必要があるかもしれません。すなわち、もはや共通のアイデンティティを持つ3つのクォークとしてではなく、グルーオン構造で結びつけられた3つのクォークとして捉えられることになり、これがその粒子が本質的に何であるかを定義するのに役立つかもしれません。