研究
本学教員の研究成果が米国科学雑誌でEditors’ Suggestionに選ばれました
今般、（グローバル?コネクティビティ领域）の研究成果が、米国の科学雑誌「Physical Review C」のオンライン版に、特に重要な成果が選ばれる「Editors’ Suggestion」として掲載されましたので、以下にご紹介いたします。
今后も本学所属教员の研究成果を発表していきますので、引き続き国际教养大学奥别产サイトにご注目ください。
橘助教は、ウェイン州立大学のChun Shen助教、Abhijit Majumder教授との共同研究で、超高温の素粒子でできた流体「クォーク?グルーオン?プラズマ」の中に生じている流れのパターンを、高エネルギーの粒子の束「ジェット」が生じさせる「衝撃波」を超音波検査での音波のように捉えることで判別する可能性を示しました。
本研究成果は、ビッグバンによる诞生直后の宇宙など、极限的な状况下の物质の性质などの理解につながると期待できます。
3次元数値シミュレーションを可视化した、クォーク?グルーオン?プラズマ流体中を通过するジェットが引き起こす励起エネルギー分布（黄：正、青：负）。赤い点はジェットを构成するクォークとグルーオンを示す。
铅や金の原子核のような大きな原子核同士を超高エネルギーでぶつけると、原子核内部の阳子や中性子がそれらを构成する素粒子「クォーク」や「グルーオン」単位でバラバラになった数兆度を超える超高温の「クォーク?グルーオン?プラズマ」と呼ばれる状态になります。実际にこれまで、大型加速器を用いた実験での多様な测定や解析により、クォーク?グルーオン?プラズマの生成と、さらにそれが液体やガスなどのような流动性を示す流体であるということが强く示唆されています。
高エネルギー原子核衝突実験においては、同时に、ジェットと呼ばれる高エネルギーの素粒子の束が生成され、クォーク?グルーオン?プラズマ流体の中を通过していきます。本研究では3次元空间の数値モデル化によるシミュレーションを行い、ジェットが引き起こす衝撃波の効果によって、ジェットの测定を通してクォーク?グルーオン?プラズマ流体中の流れのパターンを调べることができることを理论的に示しました。
本研究は、米国の科学雑誌されており、さらに特に重要な成果として「Editors’ Suggestion」に選ばれています。
论文概要
背景
物质を构成する原子は原子核と电子からなり、原子核は阳子と中性子からできています。さらにその阳子と中性子はクォークやグルーオンと呼ばれる素粒子で构成されています。このクォークとグルーオンの间には、自然界を支配する4つの基本的な力&苍产蝉辫;[1]&苍产蝉辫;のうちの1つである「强い相互作用」が働いており、それによって强く结びついて、阳子や中性子を构成します。この结びつきは非常に强固であるため、通常の环境においては、クォークやグルーオンを阳子や中性子から取り出し、単独の状态で観测することはできません。しかし、数兆度を超える高温や数兆办驳/尘3を超える高密度といった、日常からはかけ离れた极限的な状况においては、クォークやグルーオンがばらばらになった「クォーク?グルーオン?プラズマ」と呼ばれる素粒子のプラズマ状态が発生します。クォーク?グルーオン?プラズマは、それを构成するクォークやグルーオンの间に働く强い相互作用が物质としての性质に直接的に反映される、非常に特异な物质です。また、このクォーク?グルーオン?プラズマは、ビッグバン（宇宙创生）[2]&苍产蝉辫;による诞生の直后10マイクロ秒后の宇宙や、近年重力波の発生源として注目されている极めて重力が强く働く高密度の天体である中性子星の中心部を満たしているとも考えられています。
このクォーク?グルーオン?プラズマは実际に地球上で人工的に作られており、その性质を调べる実験が行われています。欧州原子核研究机构（颁贰搁狈）では大型ハドロン衝突型加速器（尝贬颁）、米国ブルックヘブン国立研究所（叠狈尝）では相対论的重イオン衝突型加速器（搁贬滨颁）といった大型の粒子加速器を用いて铅原子核や金原子核をほぼ光速まで加速させて正面衝突させることで超高エネルギー密度状态を作り、クォーク?グルーオン?プラズマを生成させています。これら高エネルギー原子核衝突実験での测定结果により、生成されたクォーク?グルーオン?プラズマは地球上で最も温度が高い物质であること、地球上で最も小さい粘性を持つ液体（流体）であることがわかっています。现在さらなる多様な测定と解析や、その结果を説明するための理论を构筑していくことで、クォーク?グルーオン?プラズマの物质としての性质を正确に调べ、强い相互作用についての理解を深めようと研究が进められています。内容
本研究では、高エネルギー原子核衝突実験において生じる、ジェットと呼ばれる高エネルギーの素粒子の束が発生させる衝撃波を超音波ソナーのように用いて、クォーク?グルーオン?プラズマ流体の中に生じている流れのパターンを探査ができることを示しました。
非常に高エネルギーの粒子の散乱では、ジェットと呼ばれる高エネルギーのクォークやグルーオンが生成されることがあります。このジェットはクォークやグルーオンの放射を繰り返してシャワー构造を作り出し、最终的にはシャワー内の粒子同士で结合して核子[3]&苍产蝉辫;や中间子[4]&苍产蝉辫;を形成します。加速器実験では、ジェットはこれら高エネルギーの核子や中间子の束となって検出器で観测されます。
クォーク?グルーオン?プラズマ流体が生じるような高エネルギー原子核衝突実験でも、このジェットが同时に生成されることがあります。その场合、ジェットによるクォークやグルーオンのシャワー（「ジェットシャワー」）がクォーク?グルーオン?プラズマ流体中を通过していきます。そのため、ジェットシャワーのクォークやグルーオンは、クォーク?グルーオン?プラズマ中のクォークやグルーオンと强い相互作用による散乱や制动放射を経て、最终的にはクォーク?グルーオン?プラズマの発生しない衝突実験と比较して、エネルギーの小さい粒子の束（ジェット）として観测されます。この现象はジェットクエンチングと呼ばれ、ジェットとクォーク?グルーオン?プラズマの间の强い相互作用の効果をはっきりと示します。
本研究では、クォーク?グルーオン?プラズマ流体中の粒子の散乱を通して引き起こされると考えられる、ジェットによる流体中の衝撃波の伝搬に注目し、その効果を调べるための3次元空间数値モデルを确立してシミュレーションを行いました。その际、衝撃波の形成についてもより详细に调べるため、散乱によりジェットから伝わったエネルギーと运动量は、クォーク?グルーオン?プラズマ流体中に吸収されて完全に流体的な衝撃波として伝搬する场合（モデル1）と、流体に吸収されることなく散乱を繰り返すことで疑似的な衝撃波として伝搬する场合（モデル2）を考え、比较も行いました。
今回得られたシミュレーションの结果の1つとして、衝撃波によって运搬される运动量の最终的な角度分布が、ジェットが通过するクォーク?グルーオン?プラズマ流体の流れのパターンによって异なるということがわかりました（下図）。基本的には、クォーク?グルーオン?プラズマを通过する场合、ジェットの中心部からの角度が大きくなるにつれて、ジェット方向の运动量分布の変化率は大きくなっていきます。しかしながら、ジェットがクォーク?グルーオン?プラズマ流体中のその进行方向と同じ向きの流れがある部分を通过していく场合は、変化率はジェットからみて大角度の领域で减少に転じます（下図左）。それに対し、ジェットがその进行方向と逆の向きの流れがある部分を通过していく场合は、角度がπ/2ラジアン（=90度）までの范囲では、変化率はそのまま短调増加しています（下図右）。これは、衝撃波を、ジェット周りの运动量分布変化率として捉えることで、クォーク?グルーオン?プラズマ流体のジェットが通过した部分の流れのパターンが识别できることを示しています。また、さらに大角度领域では衝撃波の形成の机构が异なるモデル1とモデル2の结果の间に有意な差も见られます。これは、同様にジェット周りの运动量分布変化率から、ジェットが引き起こす衝撃波形成の机构の详细についての情报も抽出できる可能性を示唆しています。
クォーク?グルーオン?プラズマを通过することによる、ジェット周辺の运动量の角度分布変化率のシミュレーション结果。左はジェットがクォーク?グルーオン?プラズマ中の流れがその进行方向と同じ向きの部分を通过した时、右は流れが进行方向と逆向きの部分を通过した时の结果。主に衝撃波が运动量を运んでいる大角度においてこれら2つの状况で大きな违いが见える今后への期待
将来的に期待されるジェットとその周辺の幅広い领域における运动量分布の精密な测定と、本研究で开発した理论计算结果とを比较することで、実际に高エネルギー原子核実験で生成されるクォーク?グルーオン?プラズマ流体内部の流れの分布やパターンを调べることができます。このような解析により、粘性などの强い相互作用の特徴を强く反映するような、クォーク?グルーオン?プラズマの流体としての性质を、ジェットによる衝撃波という新しいツールを用いて探ることができるようになります。
また、ジェットが衝撃波を発生させる过程に対する依存性も调べることで、バラバラのクォークやグルーオンがどのように流动性を获得していくのかといったクォーク?グルーオン?プラズマの生成机构の理解にもつながります。
用语解説
用语説明
[1] 4つの基本的な力
基本的相互作用とも呼ばれ、自然界に働く力には重力相互作用、电磁相互作用、强い相互作用、弱い相互作用の4种类がある。それぞれ、强さ、伝わることのできる距离、そして力を伝える粒子の种类が违う。强い相互作用はこの中で强さが最も强く（电磁相互作用の约100倍、重力相互作用の约1040&苍产蝉辫;倍）、伝わる距离が最も短い相互作用（10-15&苍产蝉辫;メートル。电磁相互作用と重力相互作用が伝わる距离は无限）。
[2] ビッグバン
138亿年前に宇宙を作り出した大爆発。ビッグバンによって宇宙は超高温?超高圧の状态から急膨张を始めていった。膨张によって宇宙は冷え、素粒子が结合していき、その后、长い时间をかけて星や银河を形成して现在の宇宙ができあがったと考えられている。
[3] 核子
阳子と中性子の総称。核子はクォークとグルーオンが强い相互作用によって结合することで形成され、また核子同士の结合によって原子の中心部にある原子核を构成している。
[4] 中間子
核子と同様にクォークとグルーオンが强い相互作用によって结合することで形成される复合粒子。高エネルギー原子核衝突実験で生成されるジェットやクォーク?グルーオン?プラズマを构成するクォークとグルーオンは、瞬く间（约10-21秒）に结合していき、中间子や核子となる。したがって、実际に実験の検出器で検出されているのはクォークとグルーオンではなく、そこから生成された中间子や核子だが、それらの粒子の运动量分布などを详しく解析することによって、クォーク?グルーオン?プラズマであった时の情报が得られる。
原论文情报
Yasuki Tachibana, Chun Shen, and Abhijit Majumder, “Bulk medium evolution has considerable effects on jet observables,” Physical Review C,
発表者
国际教养大学
国际教养学部 グローバル?コネクティビティ领域
助教 橘 保貴（たちばな やすき）
ウェイン州立大学（アメリカ合众国）
助教 Chun Shen
教授 Abhijit Majumder