米国エネルギー省のトーマス・ジェファーソン国立加速器施設 (ジェファーソン研究所) での最近の研究は、量子レベルでの重力についての新たな洞察を提供しました。研究者らは初めて、正に帯電したハドロン内の強い力の分布を詳細に捉えることに成功した。この力は、陽子を構成する基本的な構成要素であるクォークに大きな圧力を及ぼします。
量子レベル: 研究者が陽子を解読
ジェファーソン研究所の主任科学者であるフォルカー・バーケルト氏が率いる新しい研究は、クォークをそのプロトン結合から切り離すのに必要な巨大な力を強調している。 「ピーク時には、これはクォークを陽子から引き抜くためにクォークに加えなければならない4トン以上の力です」とバーケルト氏は説明した。
「もちろん、クォークには『色』と呼ばれる性質があるため、自然界ではクォークを 1 つだけ陽子から分離することはできません。陽子の中には 3 つの色があり、陽子のクォークが混ざり合って外からは無色に見えます。これは、陽子が宇宙に存在するための要件です。陽子から有色のクォークを引き抜こうとすると、無色のクォークと反クォークのペアである中間子が生成され、クォークを分離するために使用されたエネルギーとともに無色の陽子（または中性子）が残ります。つまり、4トンという数字は、陽子に内在する力の強さを表しているのです。」
フォルカー・ブルケルト
古い理論と新しい方法
陽子の機械的特性の研究は、1960 年代に遡る理論に基づいています。しかし、当時はそれらをより詳細に研究する方法はありませんでした、とジェファーソン研究所の研究科学者であり、研究の共著者であるラティファ・エルアドリリは強調します。
連続電子ビーム加速器施設 (CEBAF) からのデータに基づき、深層仮想コンプトン散乱を使用することで、研究者らは新しい方法で量子レベルを調べることができました。彼らの結果は、重力の理論と素粒子間の量子力学的相互作用の間に架け橋を築きます。
仮想コンプトン散乱 (DVCS) は、電子が陽子と衝突し、フォトン (光の粒子) を放出するプロセスです。プロトンはわずかに変化します。これは、壁にボールを投げると光の火花が発生し、壁に最小限の変化を与えるように想像できます。このプロセスは、研究者が陽子の内部を顕微鏡で観察するように機能することで、陽子の内部構造を理解するのに役立ちます。
ルール大学ボーフムのマキシム・ポリアコフのような理論家は、DVCS プロセスと重力相互作用を結び付ける基礎を築きました。この理論的基礎により、研究者は力、圧力、物理的次元の観点から陽子の構造を調査できるようになり、素粒子物理学や量子レベルの抽象的な概念がよりアクセスしやすくなりました。
「もっと大きなものの始まりにすぎない」
「この理論上のブレークスルーにより、深層仮想コンプトン散乱の測定と重力形状因子との関係が確立されました」と Burkert 氏は述べています。 「そして、私たちは初めてそれを利用して、 2018年のNature論文で説明した圧力を抽出することができ、さらに垂直力とせん断力も抽出することができました。」
新しい研究の結果は、陽子の機械的特性の理解に重要な意味を持ちます。研究チームは陽子の内部圧力の測定に加えて、その質量分布、角運動量、せん断応力についても明らかにした。
今後、研究者らはDVCSデータをさらに分析して、陽子の機械的サイズを決定する予定である。彼らは、陽子および量子レベルで DVCS 研究を継続する、より新しい、より詳細な実験を利用することを目指しています。 「私の意見では、これはもっと大きなものの始まりにすぎません」とエルアドリリ氏は語った。 「陽子の構造についての考え方はすでに変わりました。」