陽子の「正体」はクォークではなくグルーオンが担う？—RHIC・STAR実験が示した画期的な発見

陽子といえば、三つのクォークがグルーオン（糊のような粒子）によって結びついた粒子——それが教科書的なイメージです。それぞれのクォークが、陽子の「バリオン数」（物質と反物質を区別し、陽子を安定に保つ量子特性）の3分の1ずつを担うと考えられてきました。しかし、この常識を覆す発見が、米ブルックヘブン国立研究所（BNL）のRHIC（相対論的重イオン衝突型加速器）を用いたSTAR国際共同実験によってもたらされました 。

STAR実験が明らかにしたこと

STARチームは、バリオン数がクォークと一緒に運ばれるのか、それともグルーオンと一緒に運ばれるのかを判定するため、三つの独立した測定を実施しました 。

1. イソバー（同重体）衝突実験（ルテニウム vs. ジルコニウム）

電荷のみが異なり質量数がほぼ同じルテニウム（Ru）とジルコニウム（Zr）の原子核を衝突させ、衝突点付近（ミッドラピディティ）に運ばれる「バリオン数」と「電荷」の量を比較しました。もし価クォークが電荷とバリオン数を等しく運ぶなら、予測される比は単純なものになります。ところがSTARチームが見つけたのは、価クォークモデルが予測する値の約2倍ものバリオン輸送量でした 。

2. 光子–金衝突実験

金原子核から放出された光子をもう一つの金原子核に衝突させる「超周辺衝突」では、進行方向に沿った「正味陽子収量」を測定。その非対称性は、価クォークがバリオン数を運ぶと仮定したモデルの予測よりもはるかに小さく、別の運び手の存在を示唆しました 。

3. 金–金衝突における正味陽子収量

RHICのさまざまな衝突エネルギーで測定された正味陽子の停止（stopping）の傾きは、指数関数的であり、レッジェ理論から予測されるバリオン接合部輸送と一致しました（α_B = 0.61 ± 0.03）。これはクォーク輸送では説明できません 。

三つの測定結果はすべて同じ結論に収束しました。「データは価クォーク描像を否定する」 。

バリオン接合部：50年前の仮説

グルーオンのトポロジー（位相的構造）がバリオン数を担うというアイデアは、1970年代に初めて提唱されました。この「バリオン接合部（baryon junction）」あるいは「ストリング接合部（string junction）」モデルでは、陽子の中心にY字型のグルーオン場の構造が存在し、これがバリオン数（B=1）をまるごと保持し、電荷はゼロであると考えます 。

この描像では、三つの価クォークはそれぞれがバリオン数の3分の1を担うわけではなく、まるで幹に枝がつながるように、この接合部に取り付けられているにすぎません。陽子同士が高エネルギーで衝突するとき、この「グルーオン接合部」は高運動量のクォークよりもはるかに容易に停止し、そのエネルギーはビームラインに対して垂直方向に飛び散る新しいバリオンへと変換される一方、クォーク自体は前方へと進み続けます 。

なぜこれが重要なのか——グルーオン物質の理解を深める

この発見は、基礎物理学の見方をいくつもの点で変えます。

• 保存量子数を運ぶグルーオン: グルーオンは単にクォークを結びつける「糊」ではありません。保存された量子特性の主要な担い手となり得ることが示され、グルーオン物質が通常の物質の構造においてより直接的な役割を果たしていることが明らかになりました 。
• 物質–反物質非対称問題への手がかり: バリオン数の輸送は、初期宇宙における重要なプロセスです。バリオン数がどのように運ばれ、停止するのかを理解することは、宇宙に物質が反物質よりも多く存在する理由（物質–反物質非対称性問題）に対する強力な実験的手がかりを提供します 。
• エキゾチックなQCD状態の可能性: この結果は、価クォークを一切持たずにバリオン数を運ぶ、グルーオンのみで構成された「バリオニウム・グルーボール」やグルーオンの「バッキーボール」といったエキゾチックな状態の理論的存在を支持します 。

今後の展望

現在、RHICではSTAR検出器の解体が始まっていますが、これらの結果はさらに精査されるでしょう。ブルックヘブン研究所に建設中の次世代電子–イオン衝突型加速器（EIC）は、グルーオン構造をさらに詳細に調べるよう設計されており、相補的な測定で今回の発見を検証することが期待されています 。

身近な陽子でさえ、その正体はY字型に結び目を作った純粋なグルーオン場に委ねられているかもしれない——この発見は、最もよく知られた粒子でさえ、深い驚きを秘めていることを改めて教えてくれます。