CERN・ALICE実験、原子核内部で初の多次元的グルーオン飽和証拠を捉える

数十年にわたり、物理学者は陽子や中性子の内部でクォークを結びつける質量ゼロの粒子「グルーオン」が、なぜ可視物質に質量が生じるのかを理解する鍵を握ってきたことを知っていました。しかし、原子核内部の極小スケールでグルーオンがどのように振る舞うかについては、長らく2つの競合理論が対立してきました。核シャドウイング（異なる核子内のパートン間の多重散乱と干渉による線形QCD効果）と、グルーオン飽和（グルーオンの分裂と再結合が動的平衡に達する非線形領域）です。今回、CERNのALICE実験による画期的な測定が、初めてこれらを区別できる精密データを取得し、その初期証拠はグルーオン飽和を支持するものとなりました。

この研究成果は2026年8月に『Physical Review Letters』に掲載され、相互作用エネルギーと運動量移動の両方の関数として非干渉性J/ψ光核生成を測定した初の多次元測定を報告しています。これにより、0.2フェムトメートル（陽子の約4分の1のサイズ）という極めて高い空間分解能を実現しました。この精度により、研究者らは核シャドウイングの枠組みに挑み、グルーオン飽和を支持する証拠を見出しました。

実験の仕組み：光を顕微鏡として使う

この分析では、Run2の超高周辺Pb–Pb衝突データ（√sNN = 5.02 TeV）を使用し、光子–原子核重心系エネルギー20～633GeV（ビョルケンx値は約10⁻²から10⁻⁵まで）をカバーしています。超高周辺衝突では、原子核同士は直接衝突せずにすれ違います。一方の原子核の強力な電磁場が高エネルギーの光子ビームのように機能します。その光子がもう一方の原子核に衝突するとJ/ψベクトル中間子が生成され、その生成パターンが標的原子核内部のグルーオン分布の情報を運びます。

2種類の生成過程が研究されました：

• 干渉性生成：原子核全体の平均的なグルーオン密度を探ります。
• 非干渉性生成：原子核が壊れる過程で、グルーオン場の局所的なゆらぎに敏感です。これは、ぼやけた画像から高解像度の顕微鏡に切り替えるようなものに例えられます。

最小スケールでデータが示したもの

測定は、運動量移動（|t|）を変化させることで、0.6、0.3、0.2フェムトメートルの3つの空間分解能で行われました。最小スケール（0.2フェムトメートル）では、J/ψ粒子の生成率が大幅に抑制され、その統計的有意性は約3標準偏差でした。この抑制は、このような極小スケールでグルーオンが集団的に振る舞い始めること——グルーオン飽和の特徴——を示しています。

核シャドウイングとグルーオン飽和はどちらも、小さなxでのグルーオン密度の抑制を予測しますが、今回の新しい多次元（エネルギー×運動量移動）データによって初めて両者を区別できるようになりました。最高解像度で観測された抑制パターンは、従来のシャドウイング計算よりも飽和モデルによってよりよく説明されます。ALICEコラボレーションによると、この結果は「非干渉性光核生成におけるJ/ψ抑制の証拠」を示しており、グルーオンゆらぎが衝突エネルギーとともに進化するエネルギー依存ホットスポットモデルがデータと最もよく一致しています。

なぜこれが可視物質の質量と構造にとって重要なのか

クォークはしばしば基本的な構成要素と呼ばれますが、可視物質の質量のほぼすべて——私たちの体の原子から星の内部の物質に至るまで——は、グルーオンが運ぶエネルギーと、クォークを結びつける強い力に由来しています。したがって、グルーオンが原子核内部でどのように分布し、どのように集団的に振る舞うかを理解することは、物質がどのように質量と構造を獲得するかを説明するために不可欠です。この測定はまた、設計の動機の一部がグルーオン飽和の探索にある将来の電子イオン衝突型加速器（EIC）にとって重要な指針を提供します。

今後の展開

ALICEチームはすでにRun3およびRun4のデータ分析を進めており、これらはさらに高い統計量とより細かい分解能を提供することが期待されています。現在の結果は、約3標準偏差の統計的有意性を示してはいますが、決定的な発見にはまだ至っていません。それでも、グルーオン飽和が現実のものであり、従来のシャドウイングの枠組みだけでは原子核内部の極小スケールで起こる現象を説明できないという、これまでで最も明確なシグナルを提供しています。