ビッグバン後の最初の100万分の1秒で、宇宙はクォークとグルーオンで構成された1兆度の温度バブリングプラズマでした。素粒子は無数の組み合わせで短時間融合してから冷却され、より安定した構成で中性子を生成します。そして普通の物質からの陽子。
予冷の混沌の中で、これらのクォークとグルーオンのいくつかはランダムに衝突して短命の「X」粒子を形成しました。これは、それらの神秘的で未知の構造にちなんで名付けられました。 X粒子は非常にまれであるはずですが、物理学者は、高エネルギー衝突がクォークグルーオンプラズマの同様のバーストを生成する可能性があるクォーク融合からの粒子加速器で生成される可能性があると推測しています。
現在、物理学者は、スイスのジュネーブ近郊にある欧州核研究機関であるCERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で生成されたクォークグルーオンプラズマにX粒子が存在する証拠を発見しました。
科学者のチームは、機械学習技術を使用して130億を超える重イオン衝突をテストし、それぞれが数万の荷電粒子を生成しました。この高エネルギー粒子の超高密度スープの中で、研究者たちは、粒子の想定質量にちなんで名付けられた、X（3872）として知られる約100種類のX粒子を分離することができました。
フィジカルレビューレターに掲載された結果は、研究者がクォークグルーオンプラズマで初めてX粒子を検出したことを指摘しています。これは、粒子のまだ未知の構造に光を当てることを望んでいる媒体です。
「これは物語の始まりに過ぎません」と、MITの物理学教授である筆頭著者のYen-JieLeeは述べています。 「信号を見つけることができることを示しました。今後数年間は、クォークグルーオンプラズマを使ってX粒子の内部構造を研究したいと考えています。これにより、宇宙がどのような物質を生成すべきかについての理解が変わる可能性があります。」
この研究の共著者は、LHCの粒子検出器の1つであるコンパクトミュオンソレノイドからデータを操作および収集する科学者の国際チームであるCMSコラボレーションのメンバーです。
物質の基本的な構成要素は中性子と陽子であり、それぞれが3つの密接に関連したクォークで構成されています。
「何年もの間、私たちは何らかの理由で、自然がわずか2、3クォークの粒子を生成することを決定したと考えていました」とYen-JeeLee氏は言います。
物理学者がエキゾチックな「テトラクォーク」の兆候に気づき始めたのはごく最近のことです。粒子は4つのクォークのまれな組み合わせで構成されています。科学者たちは、X（3872）がコンパクトなテトラクォークか、原子ではなく2つの弱く結合した中間子（それ自体が2つのクォークでできている亜原子粒子）でできているまったく新しいタイプの分子であると考えています。
X（3872）は、高エネルギーの電子と陽電子を衝突させる日本の衝突型加速器であるベル実験の一環として2003年に最初に発見されました。しかし、この環境では、まれな粒子は、科学者がそれらの構造を詳細に研究するには速すぎて崩壊しました。
X（3872）および他のエキゾチック粒子は、クォークグルーオンプラズマでよりよく照らされる可能性があることが示唆されています。
彼らの新しい研究では、物理学者は大型ハドロン衝突型加速器での重イオン衝突によって生成されたクォークグルーオンプラズマ中のX粒子の兆候を探していました。彼らは、130億を超える鉛イオン衝突を含む2018年のLHCデータセットに基づいて分析を行いました。各衝突は、クォークとグルーオンを放出し、それらが散乱して融合し、冷却と崩壊の前に1兆を超える短命の粒子を形成しました。
「クォークグルーオンプラズマが形成されて冷却された後、非常に多くの粒子が形成されたため、背景が圧倒的になりました」と科学者たちは言います。 「そのため、最終的にデータ内のX粒子を確認できるように、その背景を下げる必要がありました。」
これを行うために、研究者のチームは、X粒子に特徴的な崩壊パターンを強調するために彼らが教えた機械学習アルゴリズムを使用しました。クォークグルーオンプラズマで粒子が形成された直後に、それらは急速に崩壊して「娘」粒子になり、それが飛散します。粒子Xの場合、この減衰パターンまたは角度分布は他のすべての粒子とは異なります。
研究者らは、X粒子崩壊パターンの形状を説明する重要な変数を特定しました。彼らは、これらの変数を認識するように機械学習アルゴリズムをトレーニングし、LHCでの衝突実験からの実際のデータをアルゴリズムに供給しました。アルゴリズムは、非常に高密度でノイズの多いデータセットをふるいにかけ、X粒子崩壊の結果である可能性が高い主要な変数を選択することができました。
その結果、物理学者は、粒子X（3872）の存在を示す信号を確認するために、バックグラウンドを数桁減らすことができました。粒子は約100個しかありませんでした。
「このような巨大なデータセットからこれらの100個の粒子を分離できることはほとんど考えられません」と研究者たちは言います。
次の1、2年で、科学者はX粒子の構造を理解するのに役立つはずのはるかに多くのデータを収集することを計画しています。粒子がしっかりと結合したテトラクォークである場合、緩く結合した分子である場合よりもゆっくりと減衰するはずです。
物理学者のチームは、X粒子がクォークグルーオンプラズマで検出できることを示したので、クォークグルーオンプラズマを使用してこの粒子をより詳細に研究し、X粒子の構造を決定することを計画しています。
「現在、十分な統計がないため、データは2つのシナリオと一致しています。今後数年間で、これら2つのシナリオを分離できるように、さらに多くのデータを収集する予定です」と、Yen-JeeLee氏は述べています。 「これにより、初期の宇宙で豊富に生成された粒子の種類についての理解が深まります。」
この研究は、Physical ReviewLettersに掲載されました。
2022-02-06 19:02:35
著者: Vitalii Babkin