酸素とネオンの衝突が映し出した、原子核の形と「小さな」クォーク・グルーオン・プラズマ

CERN（欧州原子核研究機構）のALICE共同研究グループは、これまで主に鉛原子核の衝突で探られてきたクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の研究を、より小さな衝突系へと広げた。

酸素同士の衝突では、生成された高温・高密度の物質を通過するパートンがエネルギーを失う現象を観測した。これはQGP形成を示す代表的な特徴の一つで、結果は「パートンがエネルギーを失わない」という仮説から4.9標準偏差（4.9σ）離れていた。

さらに、酸素16とネオン20の衝突を比較することで、原子核そのものの形が、衝突後に放出される粒子の分布へ測定可能な痕跡を残すことも示された。

衝突はいつ、どこで行われたのか

酸素同士（O–O）とネオン同士（Ne–Ne）の衝突が初めて行われたのは、CERNにある全長27kmの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で、2025年夏のことだった。専用の軽イオン衝突運転では、ALICE、ATLAS、CMS、LHCbの4実験が6日間にわたってデータを記録した。

初期成果は、台湾・台北で2025年9月7日から12日に開催された「Initial Stages」会議で発表された。

衝突の重心系エネルギーは、核子対あたり5.36テラ電子ボルト（TeV）。これは、QGP研究で従来よく用いられてきた鉛同士の衝突よりはるかに小さな系で、物質が集団的に振る舞う条件を調べるためのデータを提供した。

酸素衝突で何が見つかったのか

QGPとは、クォークやグルーオンが陽子や中性子などのハドロン内部に閉じ込められず、極端な高温・高密度の状態で存在する物質相を指す。

この状態を調べる方法の一つが、衝突で生じた高エネルギーのパートンを追跡することだ。パートンは、最終的にパイ中間子などの粒子へと変化する、クォークやグルーオンの構成要素である。

ALICEは酸素同士の衝突で、高エネルギーのパイ中間子が予想より少なくなる「抑制」を観測した。これは、パートンが衝突で生じた物質の中を進む際にエネルギーを失った結果と整合する。ALICEは、このパートンのエネルギー損失をQGP形成の明確な証拠と位置づけ、これまでで最小の核衝突系にQGPの代表的な特徴を広げる結果だとしている。

ALICEはまた、酸素同士とネオン同士の両方で、異方的集団流を測定した。特に楕円フロー（v₂）や三角フロー（v₃）と呼ばれる量である。これらは、衝突軸の周囲で放出粒子が特定の方向に偏る度合いを表す。値が十分に大きく、衝突の中心度によって変化することは、生成物質が流体のように集団的な膨張をしていることと整合する。

粒子の流れから原子核の形が見えた理由

酸素16とネオン20は、原子核の形が異なると考えられている。酸素16は比較的丸い一方、ネオン20は細長く伸びた「扁長形」で、しばしばボウリングのピンにたとえられる形を持つと予測されている。

二つの原子核が衝突すると、最初に重なり合う領域は必ずしも円形にはならない。この初期形状が、衝突で生じた高温物質の膨張方向を左右する。そして、その膨張の特徴が、衝突後に飛び出す粒子の角度分布として記録される。

実際、ALICEは衝突が中心に近いNe–Ne衝突で、O–O衝突より大きな楕円フロー係数 v₂を測定した。これは、細長いネオンの形が、より丸い酸素の形よりも強い楕円形の痕跡を残す場合に予想される結果だ。

原子核構造の計算と流体力学シミュレーションも、二つの衝突系で観測された差を再現した。この一致は、粒子の流れの違いが衝突ごとの偶然の揺らぎだけでなく、原子核の幾何学的な形に由来するという解釈を支持している。

つまり研究者たちは、原子核を直接撮影したわけではない。衝突そのものはあまりにも短時間で起こるため、観測できるのはその直後に飛び出した粒子だ。しかし、その粒子が残す「流れの指紋」を読み取ることで、衝突前の原子核の形に関する情報を引き出したのである。

この成果が重要な理由

小さな衝突系でもQGPのような振る舞いを示す

鉛同士の衝突では、より大きく長寿命の「火の玉」が生じるため、集団的な効果を観測しやすい。これに対して酸素やネオンは、陽子同士の衝突と鉛同士の衝突の中間に位置する小さな系だ。軽イオン衝突を調べれば、衝突系の大きさや密度が変わるにつれて、集団的な振る舞いがどのように現れるのかを追跡できる。

今回の結果は、系がどこまで小さくなっても、QGPに関連する流体力学的性質を保てるのかという問いに新たな手がかりを与える。少なくとも酸素衝突では、パートンのエネルギー損失と集団的な粒子の流れの両方が観測された。ただし、これらの信号が生成物質の性質とどのように結びつくのかについては、なお研究が続いている。

原子核衝突が「構造を調べる道具」になる

この実験は、原子核構造を調べる補完的な方法も示した。従来の散乱実験のように静止した原子核へ粒子を当てるのではなく、異なる形を持つ原子核同士を衝突させ、衝突後に生じる集団的な流れを比較するのである。

酸素とネオンの違いは、重イオン衝突の初期状態を記述する理論モデルの精度向上にも役立つ。特に、どのような形の原子核が衝突したのかをモデルに正しく反映できるかを検証する手段になる。

初期宇宙の物質を探る窓にもなる

QGPは、クォークやグルーオンが陽子・中性子などのハドロンに閉じ込められる前、宇宙誕生から最初の数マイクロ秒に存在したと考えられる極限状態の物質に似ている。

軽イオン衝突は、その原始的な物質を、衝突系の大きさや密度を調整しやすい条件で研究する機会を与える。同時に、どの程度小さな核衝突なら流体のような物質を生み出せるのかという境界も探れる。

次に何が行われるのか

現時点で、酸素より軽い原子核を使った次の実験について、確定した日程や具体的な核種の一覧を示す情報は提供されていない。

一方で、今後も複数の軽イオン系を比較し、QGPのような振る舞いが現れる最小の大きさや密度を突き止めること、また形状がよく分かっている原子核を使って衝突初期の幾何学をより精密にモデル化することは、重要な研究課題となる。

酸素とネオンは、まさにこの「小さな系」の限界に近い位置にある。そのため今後の測定では、原子核の形、衝突ごとの初期揺らぎ、そして物質を通過することで生じる本当のエネルギー損失を、さらに高い精度で切り分ける必要がある。

現段階でALICEの成果が示したのは、二つのつながった発見だ。酸素衝突でもQGPの重要な特徴が現れること。そして、酸素とネオンの衝突を比較すれば、衝突後に広がる粒子の流れを使って、原子核の形を探れることである。