LHCで酸素とネオンを衝突、初期宇宙の物質に迫る新たな手がかり

小さな衝突系でも「集団運動」は起きるのか

欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、酸素16とネオン20の原子核を衝突させたところ、クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）に似た集団的な振る舞いを示す強い証拠が得られました。QGPは、クォークとグルーオンが通常の陽子や中性子に閉じ込められていない、極端に高温・高密度の物質状態です。ビッグバン直後のごく初期の宇宙にも存在したと考えられています。

QGPの研究ではこれまで、鉛・鉛衝突のように、より重い原子核を使う実験が中心でした。今回の成果は、酸素やネオンのような比較的軽い原子核でも、QGPに結びつく集団的な現象を調べられる可能性を示した点にあります。

2025年のLHC実験で何が観測されたのか

LHCでは2025年6月29日から7月9日にかけて、酸素・酸素、ネオン・ネオン、酸素・陽子の専用衝突実験が行われました。酸素・酸素とネオン・ネオンの衝突データは、核子対あたり5.36TeVの重心系エネルギーで収集されています。

ALICEは、衝突後に生じた荷電粒子の「楕円フロー」と「三角フロー」を測定しました。これは、粒子が全方向へばらばらに飛び散るのではなく、衝突系全体の形状や動力学を反映した偏りを持って放出される現象です。

2種類のフローはいずれも無視できない大きさを示し、原子核がどの程度正面から衝突したかを表す衝突中心度によって複雑に変化しました。衝突時の幾何学的な形状を取り入れた流体力学モデルは、この観測パターンを説明しています。これは、非常に小さな衝突系でも、集団的なダイナミクスが立ち上がっていることを支持する結果です。

ネオンの「ボウリングのピン」型が鍵に

酸素16は、今回の比較では比較的丸い形状を持つ原子核として基準になります。一方、ネオン20は、理論的に細長い「プロレート型」の形状を持つと予測されており、その姿はしばしばボウリングのピンにたとえられます。

この違いは、衝突後の粒子の角度分布に現れます。特に、正面に近いネオン・ネオン衝突では、酸素・酸素衝突と比べて楕円フローが強くなることが観測されました。これは、衝突前のネオン原子核の細長い形状が、最終的な粒子の流れに影響を与えたという考えと整合します。

言い換えれば、衝突後に飛び出した粒子は、衝突の瞬間における原子核の形を間接的に映し出す「記録」のような役割を果たします。高エネルギー衝突を利用して、原子核内部の陽子・中性子の分布や、原子核の形状に迫れる可能性が広がったことになります。

4つのLHC実験が同じ現象を確認したのか

LHCの主要な実験グループであるALICE、ATLAS、CMS、LHCbは、軽イオン衝突のデータから、いずれも集団的な振る舞いの兆候を報告しました。CERNは、酸素やネオンの衝突によって、ビッグバン後の最初の数マイクロ秒に存在したと考えられる極端な物質状態が生じた可能性を示す新たな手がかりだと説明しています。

ただし、ここで重要なのは「確認」よりも「示唆」や「兆候」という表現です。集団的なフローはQGPを支持する中心的な特徴ですが、酸素やネオンの衝突系は規模が小さいため、別の物理効果が測定結果に影響する可能性もあります。

したがって、今回の結果は軽い原子核の衝突でQGPのような集団性が生じ始めるという解釈を強く支持しますが、すべての衝突で完全に発達したプラズマが形成されたことを単独で証明したものではありません。

研究の焦点は「どこまで小さくできるか」へ

今回の結果は、研究上の問いを一段階先へ進めます。QGPに似た集団的な振る舞いは、衝突系がどこまで小さくなっても現れるのでしょうか。

これまで最も明確なシグナルは、重い原子核を用いた衝突で得られてきました。酸素とネオンは、その間を埋める新しい規模の衝突系です。通常の粒子生成から、クォークとグルーオンが解放された集団的な物質状態へ移り変わる条件を検証するための、貴重な比較対象になります。

また、酸素とネオンの比較によって、2つの要素を切り分けやすくなります。ひとつは衝突で生じた高温物質そのものの性質、もうひとつは、その物質を生み出した原子核の初期形状です。丸みを帯びた原子核と変形した原子核を比べることで、流体力学計算と原子核構造モデルをより厳密に検証できます。

これは、低エネルギーの原子核物理学と、LHCで行う超高エネルギーのQGP研究をつなぐ成果でもあります。従来の実験や計算が扱ってきた原子核の内部構造を、衝突後の粒子の流れという別の観測手段から調べられるようになるためです。

次に何が調べられるのか

今後は、衝突系をさらに小さくしても集団的なパターンが維持されるのか、そしてQGPに似た振る舞いに必要な最小条件は何かが焦点になります。こうした下限を明らかにできれば、クォークとグルーオンが閉じ込めから解放される条件や、初期宇宙に存在した極端な物質のモデルをさらに絞り込めます。

現時点での結論は、慎重でありながら重要です。鉛などに比べればはるかに軽い酸素とネオンの衝突でも、粒子は集団的な流れを示しました。その流れには、原子核の形状を反映した特徴と、QGPに似た集団ダイナミクスの強い証拠が同時に刻まれています。