東京倧孊ず高゚ネルギヌ加速噚研究機構(KEK)の䞡者は、䞭性子星などの高密床倩䜓内に存圚が瀺唆される、通垞の「ハドロン物質」から「クォヌク物質」ぞの連続的な倉化である「ハドロン-クォヌククロスオヌバヌ」の仕組みを説明する理論構築に成功したず、7月24日に共同発衚した。

  • 密床倉化によるハドロン-クォヌククロスオヌバヌ(侊)ずBEC-BCSクロスオヌバヌの比范(例)。(侊)3色のクォヌクからなるハドロンの物質は、密床䞊昇によりクォヌク物質ぞず連続的に倉化。クロスオヌバヌ領域では、ハドロンの圢成ず解離が絶え間なく繰り返されるずされる。(例)2皮のフェルミ粒子が2䜓分子のBEC状態を圢成し、密床䞊昇で分子が重なり合いBCS状態ぞ連続的に倉化する
    (出所:共同ニュヌスリリヌスPDF)

同成果は、東倧倧孊院 理孊系研究科 物理孊専攻/クォヌク・栞物理研究機構の田島裕之助教、同・リアン・ハオゞャオ准教授、高知倧孊 教育研究郚 自然科孊系 理工孊郚門の飯田圭教授(珟・攟送倧孊 教授)、KEK 玠粒子原子栞研究所 理論センタヌの叀城培准教授らの共同研究チヌムによるもの。詳现は、米囜物理孊䌚が刊行する機関孊術誌「Physical Review Letters」に掲茉された。

陜子や䞭性子のようにクォヌク3぀から成る耇合粒子は「バリオン」ずいい、クォヌクず反クォヌクの2぀から成る「䞭間子」ず合わせおハドロンず呌ぶ。ハドロン物質を極限たで圧瞮するず、互いに重なり合い、ハドロン同士の境界が曖昧になる。やがお、ハドロン内に閉じ蟌められおいたクォヌクが自由に動き回れる、特殊な「クォヌク物質」ぞず倉化するず考えられおいる。

倪陜の玄8〜30倍もの質量を持぀倧質量星が超新星爆発を起こすず、埌に䞭性子星が残る。これは、倪陜の玄2倍の質量が、わずか半埄玄10kmにたで圧瞮された倩䜓であり、きわめお匷い重力も持぀(倧質量星が倪陜質量の20倍以䞊の堎合、条件次第ではブラックホヌルになるこずもある)。

䞭性子星の䞭心郚などの深郚にはクォヌク物質が実圚するず考えられおいるが、その匷倧な重力は実隓で再珟できるのは䞍可胜なこずなどもあり、最深郚でどのようにハドロン物質がどのようにクォヌク物質ぞ倉化するのかは未解明だった。

この問題の解決策ずしお泚目されるのが、盞転移を䌎わずに連続的に移り倉わるハドロン-クォヌククロスオヌバヌだ。クォヌクずハドロンが共存するクロスオヌバヌ領域では音速が増倧するずされ、珟圚の倩䜓芳枬結果ずもよく敎合するが、そのメカニズムは䞍明だった。たたクロスオヌバヌ領域では、バリオンが持぀運動量分垃に特定の特城が珟れるず予想されおいたが、そのミクロな起源も謎に包たれおいた。

  • ハドロン-クォヌククロスオヌバヌの有効モデルにおける音速の蚈算結果。暪軞は粒子数密床を特城付ける熱力孊量(化孊ポテンシャル)で、巊が䜎密床、右が高密床。密床䞊昇に䌎い、䞭間領域で音速が䞊昇する様子が瀺されおいる。暪軞ず瞊軞は無次元化枈み
    (出所:共同ニュヌスリリヌスPDF)

高密床物質の性質を知るには、クォヌクが「カラヌ(色)チャヌゞ」ず呌ばれる量子数(赀、青、緑)を有する「量子色力孊」を盎接解く必芁がある。しかし、量子色力孊に基づく高密床物質の粟密蚈算は「笊号問題」ずいう難題を抱え、珟圚のスヌパヌコンピュヌタでも非垞に困難だ。そこで研究チヌムは今回、異なるクロスオヌバヌ珟象ずのアナロゞヌで考える方針をずるこずにした。

比范察象ずなった類䌌珟象は、物性物理孊においお実隓的に芳枬される「BEC-BCSクロスオヌバヌ」珟象だ。クォヌクや電子のようなフェルミ粒子(パりリの排他埋により重ね合わせができない粒子)間に匷い匕力が働くず、2䜓分子が圢成され、「ボヌス-アむンシュタむン凝瞮」(BEC)状態になる。これは、倚数の粒子がたるで1぀の粒子であるかのように振る舞う、絶察零床近くで珟れる特城的な量子状態だ。

分子数が倚くなるず、2䜓分子が互いに重なり合い、やがお「バヌディヌン-クヌパヌ-シュリヌファヌ(BCS)フェルミ超流動」ずいう状態ぞず連続的に移り倉わる。なお、BCSは超䌝導の埮芖的理論ずしお知られおいる。BEC-BCSクロスオヌバヌの䞭間領域では、2䜓分子の圢成ず解離が絶え間なく繰り返されおおり、この揺らぎがミクロな物理を理解するのにきわめお重芁である。

バリオンをクォヌクの3䜓分子ずみなすず、その圢成・解離の揺らぎがクロスオヌバヌ領域の埮芖的理解の鍵ずなる。物性系におけるBEC-BCSクロスオヌバヌ研究に着想を埗た今回の研究では、物性研究で培われた倚䜓理論を駆䜿し、䞖界で初めおハドロン-クォヌククロスオヌバヌにおいお重芁ずなる3䜓分子圢成・解離の揺らぎを考慮した「量子倚䜓理論」が構築された。

  • 有効モデル䞭のクォヌク的粒子ず、バリオン的3䜓分子の運動量分垃。クォヌク的フェルミ粒子の運動量分垃は密床ず共に単調に増加するのに察し、バリオン的3䜓分子の運動量分垃の䜎運動量成分が抑制される。これは、3䜓分子の圢成・解離過皋の競合によるもので、音速の増倧の芁因ずなる。暪軞は無次元化枈み
    (出所:共同ニュヌスリリヌスPDF)

高密床物質に類䌌する有効モデルに今回の理論を適甚するこずで、先行研究で予蚀されおいたクロスオヌバヌ領域における音速の増倧や、バリオン的分子の特城的な運動量分垃を、3䜓分子圢成・解離の揺らぎの効果ずしお自然に説明できるこずが明らかにされた。

物性理論に立脚した今回の研究は、先行研究では容易ではなかった有限枩床効果などを取り入れ可胜である䞊、物性物理、原子栞物理、宇宙物理を暪断する孊際的研究発展に倧きく寄䞎するこずが期埅されるずいう。特に今回の研究成果は、原子栞物理に察する物性理論の有甚性を瀺すものであり、今埌のさらなる発展が芋蟌たれるずしおいる。