フェムト秒スケール凍結アウトソースの重イオン衝突におけるイメージング

核心概念

本稿では、リチャードソン・ルーシー反復復元アルゴリズムと強度干渉法を組み合わせることで、重イオン衝突で生成されるフェムト秒スケール凍結アウトソースの直接イメージングを実現し、物質と反物質の対称性を裏付ける結果を得ました。

要約

はじめに

ビッグバン直後に物質と反物質が等量生成されたという説は広く受け入れられているが、今日の宇宙は反物質をはるかに凌駕する物質で満たされている。この謎は、自然界における重大な対称性の破れに関連しており、原子核物理学と素粒子物理学における課題として残されている。

相関関数とソースイメージング

現代の加速器を用いた高エネルギー重イオン衝突（HIC）は、初期宇宙に類似した条件を作り出す。反物質の生成が確認されたことで、フェムト秒スケールでの物質と反物質の空間発展と分離の研究が可能になった。この研究には、ハッブル-ブラウンとトウィスがシリウスの角半径を検出するために発明したHBT強度干渉法が応用されている。HBT干渉法は、原子核物理学において、HICで生成されるエミッションソースの時間的・空間的特徴を、放出された粒子対相関関数（CF）を測定することで抽出するために広く応用されてきた。基本的な描像では、CFはソースから放出された粒子対間の低エネルギー散乱の結果であり、対間の相互作用の強さの情報を担っている。

ガウス分布からの逸脱

従来のCF解析ではガウス分布が広く採用されてきたが、この仮定は衝突系の初期状態と発展の詳細が失われるため、最近の研究では不利であることが指摘されている。そこで本稿では、ガウス分布を仮定しないソースの直接イメージングを実現した。

リチャードソン・ルーシーアルゴリズムの適用

本稿では、光学イメージング用に開発されたリチャードソン・ルーシー（RL）アルゴリズムと、粒子対間の相互作用を組み込んだレドニッキー-リュボシッツ（LL）モデルを組み合わせることで、実験的なCFからソースイメージングの逆問題を解決する手法を実装した。

結果と考察

この手法をRHICのSTARコラボレーションによって測定された、重心系エネルギー200 GeVのAu+Au衝突におけるppおよび¯p¯pのCFに適用した結果、陽子と反陽子は凍結アウト時に同一のソース分布を共有することが明らかになった。これは、高エネルギーHICで生成され進化する際に、物質と反物質が座標空間において対称性を持つことを示す証拠である。さらに、再構成されたソース関数のプロファイルは、陽子と反陽子の両方においてガウス分布とは異なることがわかった。これは、衝突が非常に高速であるため、衝突する原子核の空間情報が部分的に保持されていることを示唆している。

結論

本稿で開発された新しい手法は、フェムト秒スケールの重イオン衝突をイメージングし、地上の実験室で物質と反物質の物理を探求するための重要な進歩である。

統計

陽子と反陽子の相互作用の強さ：f0(pp) = (7.7 ± 0.2)fm, f0(¯p¯p) = (7.9 ± 0.3)fm
ガウス分布からの逸脱：ppのカイ二乗値 = 91243.5、¯p¯pのカイ二乗値 = 101.078（自由度16）
ppがガウス分布である確率 = 0
¯p¯pがガウス分布である確率 = 2.17425 × 10^-14

引用

抽出されたキーインサイト

Imaging the Femtoscopic Freeze-out Source in Heavy Ion Collisions

by Junhuai Xu, ... 場所 arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08718.pdf

深掘り質問

このイメージング技術は、他の原子核や衝突エネルギーでも物質と反物質の対称性を検証するためにどのように応用できるでしょうか？

このイメージング技術は、様々な原子核や衝突エネルギーを用いた実験データに適用することで、物質と反物質の対称性に関する理解を深めることができます。

異なる原子核種: 金+金衝突だけでなく、陽子+陽子、鉛+鉛衝突など、異なる原子核種を用いた衝突実験データに適用することで、原子核種の物質と反物質の対称性への影響を調べることができます。特に、中性子数の多い原子核を用いた実験では、陽子と反陽子の非対称性が観測される可能性があり、興味深い結果が期待されます。
異なる衝突エネルギー: 相対論的重イオン衝突実験では、衝突エネルギーを変えることで、生成される高温高密度物質の性質を変化させることができます。低い衝突エネルギーでは、バリオンが豊富でハドロン相互作用が支配的な物質が生成され、高い衝突エネルギーでは、クォーク・グルーオン・プラズマ(QGP)と呼ばれるクォークとグルーオンが解放された状態が出現すると考えられています。異なる衝突エネルギーでの実験データにこのイメージング技術を適用することで、物質と反物質の対称性が衝突エネルギーにどのように依存するのか、また、QGPの生成と進化における物質と反物質の役割を明らかにすることができます。
さらに、この技術を粒子種や相関の種類に拡張することで、より詳細な情報を得ることが可能になります。

他のハドロン: 陽子・反陽子だけでなく、パイ中間子、K中間子、ラムダ粒子などの他のハドロンについても、その相関関数を解析することで、物質と反物質の対称性をより広範な粒子種で検証できます。
３粒子相関: ２粒子相関だけでなく、３粒子相関を用いたフェムトスコピーも有効な手段となります。３粒子相関を用いることで、２粒子相関では得られない、より詳細なソースの情報を得ることができ、物質と反物質の対称性に関する知見を深めることが期待されます。

ガウス分布からのソース関数の逸脱は、衝突の初期状態やクォーク・グルーオン・プラズマの性質についてどのような情報を提供してくれるでしょうか？

ガウス分布からのソース関数の逸脱は、衝突の初期状態やクォーク・グルーオン・プラズマ(QGP)の性質に関する重要な情報を提供します。

初期状態の空間的非一様性: ガウス分布は、粒子が衝突領域全体に一様に分布していることを仮定していますが、実際の原子核衝突では、衝突の初期状態において空間的に非一様な構造が存在する可能性があります。例えば、原子核の形状の歪みや、原子核内部の核子の密度揺らぎなどが考えられます。ガウス分布からの逸脱は、これらの初期状態の空間的非一様性を反映している可能性があり、その形状や大きさを解析することで、初期状態における原子核構造や密度揺らぎに関する情報を得ることができます。
QGPの膨張の時間発展: QGPは生成後、膨張しながら冷却し、ハドロンへと転移すると考えられています。この膨張過程は、QGPの性質、例えば粘性や状態方程式によって影響を受けます。ガウス分布からの逸脱は、QGPの膨張の時間発展を反映している可能性があります。例えば、ソース関数が半径方向により緩やかに減少する場合、QGPの膨張時間が長く、粘性が小さいことを示唆している可能性があります。
これらの情報を総合的に解析することで、原子核衝突の初期状態からQGPの生成、膨張、そしてハドロンへの転移に至るまでのダイナミクスをより詳細に理解することができます。

この研究で開発されたイメージング技術は、他の物理現象、例えば、初期宇宙における構造形成や凝縮系物理学における相転移の研究にどのように応用できるでしょうか？

この研究で開発されたイメージング技術は、原子核衝突以外の物理現象、特に以下の様な、微小なスケールで起こる現象の理解にも応用できる可能性があります。

初期宇宙における構造形成: 初期宇宙では、高温高密度の物質が膨張し、冷却される過程で、銀河や銀河団などの大規模構造が形成されたと考えられています。この構造形成過程は、宇宙マイクロ波背景放射の非一様性として観測されており、その空間的な相関を解析することで、初期宇宙の密度揺らぎに関する情報を得ることができます。この研究で開発されたイメージング技術は、宇宙マイクロ波背景放射の相関関数を解析することで、初期宇宙の密度揺らぎの空間構造をより詳細に明らかにし、宇宙の構造形成過程の解明に貢献する可能性があります。
凝縮系物理学における相転移: 凝縮系物理学においても、物質が異なる相の間を遷移する現象である相転移は重要な研究対象です。例えば、超伝導や超流動は、低温で起こる相転移現象であり、そのメカニズムの解明は、物質の新しい性質や機能の発見につながると期待されています。この研究で開発されたイメージング技術は、相転移に伴う秩序変数の空間的な相関を解析することで、相転移のダイナミクスや秩序変数の空間構造に関する情報を得ることができ、凝縮系物理学における相転移現象の理解を深めることに貢献する可能性があります。
これらの応用例は、このイメージング技術が、原子核衝突という極限状態の物理だけでなく、より広範な分野における微視的な現象の理解に貢献する可能性を示しています。