- 原子核の陽子は、実験設定によってまったく異なる内部構造を示す量子力学的対象であり、全体像に近づくには複数世代の散乱実験をつなぎ合わせる必要がある
- 1967年のSLACによる深非弾性散乱は、電子が陽子内部の点状の断片であるクォークに衝突するという最初の証拠を示し、その後数百件の実験が内部構造をさらに細かく調べてきた
- 3クォーク模型は陽子の+1電荷を説明するが、スピンと質量を十分には説明できず、クォーク・グルーオン・反クォークが絡み合うより複雑な像が必要になった
- HERAはSLACより約1,000倍強い衝突によって、0.005%レベルの運動量を持つ低運動量クォークと反クォークの海を観測し、QCDの予測を裏づけた
- 最近50年間の5,000枚以上の陽子スナップショットを機械学習で分析した結果、陽子そのものより重いcharmクォークがより持続的に存在している可能性が示され、LHCや宇宙線ニュートリノの解釈にも影響を与えうる
陽子は実験によって異なる顔を見せる
- 陽子は原子の中心にある正電荷を持つ粒子だが、古典的な「特徴のない球」や単純な3クォークの束だけでは説明が不十分である
- 量子力学的対象である陽子は、実験が具体的な形を強制するまでは確率の霧のように存在し、実験設定によって観測される姿が大きく変わる
- MITのMike Williamsは陽子を「想像しうる最も複雑なもの」と表現し、Richard Milnerは物理学者たちがようやくこの系を完全な形で理解し始めたと評価している
- 2022年8月に発表された大規模データ解析では、陽子の中に陽子自身より重いcharmクォークの痕跡が見つかった
SLACが開いた陽子内部への最初の手がかり
- 1967年、Stanford Linear Accelerator CenterであるSLACは、電子を強く打ち込んで陽子を砕く深非弾性散乱を実施した
- 電子はビリヤード球のように跳ね返るのではなく、陽子内部の点状の断片であるクォークにぶつかったかのように散乱した
- この結果はクォークが実在する最初の証拠となり、関連する発見は1990年のノーベル物理学賞につながった
- その後、物理学者たちは電子をどれほど強く打ち込むか、散乱後にどの粒子を回収するかを調整しながら、陽子内部のさまざまな側面を推定してきた
エネルギーが高いほど、より小さな構造が見える
- より高エネルギーの電子は、陽子内部をより高い解像度で観測できるようにする
- 散乱された電子のエネルギーと軌道を測定すれば、電子が陽子全体の運動量の大部分を持つクォークに当たったのか、それともごく一部しか持たないクォークに当たったのかがわかる
- 衝突を繰り返すことで、陽子の運動量が少数のクォークに束縛されているのか、多くの構成要素に分散しているのかを調べられる
- SLACレベルの衝突では、電子が陽子全体の運動量の約3分の1を持つクォークに当たったような結果がしばしば得られ、これはMurray Gell-MannとGeorge Zweigが1964年に提案した3クォーク模型と一致した
3クォーク模型の説明力と限界
- Gell-MannとZweigのクォーク模型では、陽子は2個のupクォークと1個のdownクォークから成ると説明される
- upクォークはそれぞれ+2/3の電荷を持つ
- downクォークは−1/3の電荷を持つ
- 合計すると陽子の+1電荷になる
- しかし、この模型は陽子のスピンを説明するのに失敗した
- 陽子はスピン1/2を持つ
- upクォークとdownクォークもそれぞれスピン1/2を持つ
- 当初は、2つのupクォークのスピンからdownクォークのスピンを引けば陽子のスピン1/2になると考えられていた
- 1988年、European Muon Collaborationはクォークスピンの和が1/2よりはるかに小さいと報告した
- 質量についても限界が明らかになった
- 2個のupクォークと1個のdownクォークの質量は、陽子全体の質量の約**1%**にすぎない
- 陽子には、単純な3クォークよりはるかに多くのものが含まれている
HERAが明らかにしたクォークと反クォークの海
- ドイツ・ハンブルクのHadron-Electron Ring AcceleratorであるHERAは、1992年から2007年まで運転され、SLACより約1,000倍強く電子を陽子に衝突させた
- HERA実験では、陽子全体の運動量の**0.005%**しか持たない極低運動量クォークで跳ね返った電子まで選別して解析できた
- その結果、低運動量のクォークとその反物質対応である反クォークが渦巻く構造が観測された
- これは1970年代に発展した**量子色力学(QCD)**を裏づけるものだった
- QCDはクォーク間の強い力を説明する量子理論である
- クォークは力を媒介するグルーオンによって束縛される
- クォークとグルーオンは、red、green、blueで表される3種類のcolor chargeを持つ
- 陽子のような粒子では、色が合わさって中性のwhiteになる組み合わせを作る
QCDが示す強い衝突と計算の限界
- QCDによれば、グルーオンは瞬間的なエネルギー増加を得てクォーク-反クォーク対に分裂できる
- この対はごく小さな運動量を持ってから再び消滅し、HERAはこうした一時的なグルーオン・クォーク・反クォークの「海」を検出した
- HERAでさらに低運動量のクォークを見るほど、こうしたクォークはより多く現れ、より高エネルギーの衝突では陽子がほとんどグルーオン雲のように見えることを示唆している
- Milnerは、HERAのデータはQCDが自然を説明していることの直接的な実験証拠だと評価している
- しかしQCDは、強い力が相対的に弱いときにしか計算しやすくない
- 強い力はクォーク同士が非常に近いとき弱くなる
- これは短寿命のクォーク-反クォーク対で成り立つ
- 逆にSLACのような穏やかな衝突で見える3個の長寿命クォークは互いに十分離れており、計算は非常に難しくなる
- Frank Wilczek、David Gross、David Politzerは1973年にQCDのこの特徴を解明し、31年後にノーベル賞を受賞した
charmクォークが加えた新しい陽子像
- Juan Rojoが率いる研究チームは、過去50年間に得られた5,000枚以上の陽子スナップショットを分析した
- この分析では機械学習を用い、理論的な仮定を迂回しながら陽子内部のクォークとグルーオンの運動を推定した
- 比較的弱い衝突では、運動量の大半はおなじみの3つのクォーク、すなわち2個のupクォークと1個のdownクォークに束縛されていた
- しかし、ごく少量の運動量がcharmクォークとcharm antiquarkに由来するように見えた
- charmクォークとcharm antiquarkは、それぞれ陽子全体より3分の1以上重い基本粒子である
- グルーオンは十分なエネルギーがあれば6種類のどのクォークにも分裂できるため、短寿命のcharmは「クォークの海」の図像にしばしば現れる
- Rojoチームの結果は、charmがより持続的な存在感を持つ可能性を示唆している
- 穏やかな衝突では、電子は通常3個の軽いクォークに出会う
- ときには、up、down、charmクォークが片側にあり、upクォークとcharm antiquarkがもう片側にあるような、まれな5クォーク分子状態に出会う可能性がある
LHCと宇宙線観測の解釈に必要な入力値
- 陽子の微細な内部構成は、Large Hadron Colliderで新しい基本粒子を探す際の解釈に影響を与えうる
- LHCでは高速陽子同士を衝突させて何が出てくるかを観測するため、衝突前の陽子の中に何があるのかを知っておく必要がある
- 巨大なcharmクォークがときどき現れるなら、よりエキゾチックな粒子を作る確率計算が揺らぐ可能性がある
- 宇宙線陽子が地球大気圏の陽子と衝突するときも、適切な瞬間にcharmクォークが現れれば、追加の高エネルギーニュートリノを生み出せる可能性がある
- 研究者たちは2021年、この効果が地球により高エネルギーのニュートリノを降り注がせうると計算した
- これは宇宙から来る高エネルギーニュートリノを探す観測者を混乱させるかもしれない
次の実験は3D構造とスピン地図を狙う
- Rojoの共同研究チームは、charmクォークとcharm antiquarkの間の不均衡を探しながら陽子探査を続ける計画である
- topクォークのようなさらに重い構成要素も、はるかにまれで検出が難しい形で現れる可能性がある
- Brookhaven National Laboratoryの物理学者たちは、2030年代にElectron-Ion Colliderを稼働させ、HERA以後の高解像度な陽子スナップショットを得ようとしている
- EICは陽子の初の3D再構成を可能にするかもしれない
- また、回転する電子を使って内部のクォークとグルーオンのスピン地図を作る計画でもある
- これはSLACとHERAが運動量を地図化したことに対応する作業である
- これにより陽子スピンの起源を絞り込み、日常世界の大部分を構成するこの粒子に関する根本的な問いに取り組む助けになる可能性がある
1件のコメント
Hacker News のコメント
記事を読み終えて、少しばかげた考えが浮かんだ。電子は素粒子なので陽子に比べて「単純」なのに、電子は -e の電荷を持ち、陽子は +e の電荷を持つため、電荷が正確に相補的になっている。
陽子がそれほど複雑な存在なら、どんな規則によって電子と正確に反対の電荷になるのか気になる。なぜ +1.8e、+3e、0.1666e ではなく正確に +e なのか分からないし、この問い自体が成り立つのかも気になる。
陽電子は電子の反粒子なので +e なのは理解できるが、陽子は複数の素粒子が複雑に絡み合ったものなのに正確に +e になる点が不思議だ。
クォークの閉じ込めを信じるなら、これは計算・理論・実験の面で非常に強く裏付けられているので、陽子の電荷が正確に +1 になることも自然に導かれる。
無限の宇宙があり、私たちがちょうどよい宇宙に存在しているのか、宇宙は一つだけで、その一つが偶然うまく合っていたのかのどちらかで、いずれにしてもかなり運がいいということになる。
https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
こうしたものは十分に安定するまで集まり、安定した形が存在し、数が十分にあれば最終的に安定した形がたくさん生まれる。魔法のように釣り合いを取るのではなく、安定状態へ沈み込んでいく過程に近く、今でも不安定な物質は多い。
離散対称性としての C 対称性に関係しており、ローレンツ不変性にもつながる側面がある。
ただし、ある意味では「そうでなければならない」とも言える。電荷の均衡がなければ、私たちが知っている原子は存在せず、私たちが生きる巨視的な世界を作る化学も存在しないからだ。
量子物理学者たちが自分たちの言っていることを分かっていることに疑いはないが、「探針の仕方によって姿が変わる」「どれほど複雑か想像すらできない」「陽子自体より重いチャームクォークの痕跡を含む」といった文を見ると、計算を間違えた学生が先生に言い訳しているように感じる。
もしかすると時空の外側にある対象をのぞき込めるなら、アクセス可能な隠れた超構造があるのかもしれないが、それまでは推測を除けば、現在私たちが持っているのは時空への還元だけだ。
(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
同時に各人は、自分の見解が正しく、皆が同意していると仮定している。合意の代わりに分派があり、分裂し続けるが多数派に取って代わることはできず、コペンハーゲン解釈のような正統があり、Everett のように一線を越える人を排斥する様子は、科学より宗教に近く見える。
もう一つの症状は、明らかに筋が通らないことを言わせ、行わせることで献身を証明させることだ。キリスト教では三位一体がそれで、量子力学では波動と粒子の二重性がその役割を果たしている。キロメートル級の波長を持つ点粒子というのは筋が通らないのに、電波は光子でできていると信じろと言われる。
証拠が十分でなく全員を一列に並べられないとき、各部族の最善の論拠が「うちの族長がそう言った」に分かれていくのは、人間の魔術的思考と宗教性が表れる姿だ。
こういう記事を読むと、リンゴをハンマーで叩き、だんだん強く殴ってみたうえで、リンゴは平たくてぐちゃぐちゃだと結論づけているような気がしてくる。もっと強く叩けば、リンゴは紙のように薄くて熱いと言い出すかもしれない
こうした衝突実験で生じた粒子の一部が、衝突対象の中にあったものではなく、宇宙マイクロ波背景から飛び出してきたものではないと、どうやって分かるのか気になる
研究者たちは当然それを考慮しているだろうし、よい説明もあるのだろうが、自分が理解できるかは別問題だ
もう一つ奇妙なのは、エネルギーなしでも飛び出し得る仮想粒子だ。実際のエネルギーを持つ粒子と同じ量子場、たとえばチャームクォーク場の発現という点では似ているが、エネルギーを運ばないため長くは存在できない点が違う
世界は非常に奇妙だが、数学は機能する。陽子は、アップクォークとダウンクォークの量子場が複雑な色の強い力によって互いに「捕まえられ」一か所に留まっている、沸き立つエネルギーの球に近い。その中には、外へ出たくても出られないエネルギーがあまりにも多く、何かが絶えず生まれては消えている
「陽子は、実験が具体的な形を取らせるまでは確率の霧として存在する量子力学的な物体だ」といった表現にはだんだんうんざりしてきた
量子力学が、ますます精緻になる観測に基づく現在の理解をモデル化する有用な道具だということは100%受け入れるが、陽子が誰かがやって来て考えるまで形を成さない、変身するエネルギーのスープだという考えは、根本的に信じがたい
現実が近似的に計算され、観測される部分にだけ高価な計算資源が投入されるシミュレーションだというなら別だが。そしてシミュレーション仮説にも飽きている
実際には、私たちが十分うまく観測できていないか、観測対象を理解できるだけの十分な次元に存在していないために、私たちが固定できる断面が確率系の一部のように見えているのではないかと疑っている。それでもなお、これらすべてが巨大なライフゲームである可能性にはまだ賭けている
ビュフォンの針のような現実の統計実験を考えると、現実そのものに非常に「統計的」な何かが埋め込まれていなければならない。量子力学はそれを非常に遠くまで押し進めるので、複雑に見えることはある
粒子が巨視的物体に束縛されると、よりシャープになり、その結果、自分たちが「測定」する他の基本粒子もよりシャープにできる。逆にスリットの縁のような、巨視的物体のよりぼやけた部分と相互作用すると、粒子はよりぼやけて波動的になり得る
だから陽子は本当に変身するスープであり、それ以外のものではない。十分強く叩けば、一瞬だけ少しシャープな状態へ乱されて何かを教えてくれるが、内部の混沌としたミクロな相互作用のため、すぐにまたスープに戻る
物質がくっきり見えるのは巨視的レベルだけで、粒子レベルでは常にぼやけている。ただし、ぼやけた「波」同士のエネルギーと運動量の交換を説明する数学が、小さな球が跳ね返るように見えるため、小さな球という概念を捨てるのは難しい。これは、すべての力がある程度球対称性を持つために偶然そうなったのだと思う
ここでいう「確率の霧」とは、実験予測を作るために、陽子内のグルーオンとクォークが取り得るあらゆる配置を繰り返し計算しなければならない、という意味だ
計算量はとんでもないが、概念的には、粒子がニュートン方程式に従って動くビリヤード球だと言うことより良くも悪くもない。単に後者により慣れているだけで、格子QCDのようなものを扱ってみれば、前者が「実際の」基礎物理法則だということにも完全に慣れる
「陽子は、誰かが来て考えるまで形を成さない、変身する量子的エネルギーのスープだ」というイメージは一般向け科学でよく見かける描写だが、そのまま真実であるはずはない。観測し思考する人が現れる前から、量子力学はきちんと存在していた
ある教授が、陽子はゴミ箱だとよく言っていた
だからLHCをはじめとするハドロン衝突型加速器は、非常に高いルミノシティ、つまり衝突率で運転しなければならない。2つの陽子を衝突させても、実際に相互作用する部分はたいてい全エネルギーのごく小さな一部しか持っておらず、探りたい興味深い高エネルギー物理が得られないことが多い
「実際どれほど複雑なのか想像すらできない」という文については、誰かは想像できたのかもしれない。そうでなければ、その複雑さのすべてが膨大な数のバグを生み、宇宙はクラッシュしていた気がする
本当の問いは、私たちがベアメタル上で動いているのか、仮想マシン上で動いているのか、コンテナ上で動いているのかだ
見出し画像は壁紙に使うのによさそう。フルサイズのリンクは https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...
「陽子は、実験が具体的な形を取らせるまでは確率の霧として存在する量子力学的な対象だ」という文が良かった。
重力は、不確定な形の質量が引き起こす効果なのだろうか？ 時空内の一種の真空のようなものとして？
同じ陽子、中性子、電子でも、速度や配置を変えれば重力はより大きくなる。核心は単なる質量ではなく、応力エネルギーテンソルである。
「重力が不確定な形の質量の効果であり得るのか」が正しくないことを見るには、星やブラックホールをクォークと比べればよい。クォーク間の空間は、実際のクォークの瞬間的な配置に応じて、別のより大きな、またはより小さなクォークのように働く。
同じ考えを非常に大きな星に適用すると、その星は位置や状態、場合によっては自発的な変化に応じて、時にはブラックホールのように、時には超新星のように、時には星のように振る舞うはずだ。特に非常に遠くにあれば一点のように見えるので、ブラックホールのように振る舞うと期待してしまうが、実際にはそうではない。
星はどれほど遠くにあっても星のように見える。現実がそのような仕組みなら、近くの銀河には暗黒物質がほとんどなく、遠くの銀河には暗黒物質が多く、しかも非常に小さいはずだが、実際には銀河と暗黒物質は距離に関係なく概ね似ている。
ただし、質問自体がかなり曖昧だ。面白そうな答えが出る枠組みに、遊び半分で無理やり当てはめてみたもので、もともと尋ねたかったことに多く答えているとは思わない。
宇宙は無限に複雑であり得るのだろうか？ いわば果てしない亀のように。
物理学における双対性と複製の概念は非常に興味深い。すべてのものには反対のものがあり、その反対同士が出会うとより大きな単位を成し、その単位自体もまた反対を持つように見える。
https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
定義上、それ以上解消できず、ただ突き当たり続ける何かがあり得る。物理学にもゲーデルの不完全性定理のようなものはあるのだろうか？
基礎物理学の複雑性は大きく過大評価されている。単に直感的でないだけだ。最も単純な細胞でさえ、陽子より何桁も複雑である。