- ATLAS 合作組織が、原子核の縁と中心の核子の内部構造が異なることを発見。
- 核子内部のクォークとグルーオンの運動量分布が位置によって変化する。
- 研究者たちが鉛イオン衝突を通じて核部分子分布関数の謎を解明。
- 統計検定により、核の縁の核子と中心の核子に有意な分布の差があることが示された。
ほとんどの人にとって、原子は化学元素において最小かつ不可分割の部分である。しかし、核物理学者にとって原子は通常考慮する最大の単位であり、陽子、中子、電子を超えた亜原子粒子で構成される複雑な集合体であり、それらの構成要素の性質と振る舞いを理解することを目的としている。
核子内部構造の変化
これまでの核子、すなわち原子核内の陽子と中子の観測では、それらの位置の違いによって内部のクォークとグルーオンの運動量分布も変化することが示されていた。この観測は 1982 年にヨーロッパ・ミューオン共同研究グループ（EMC）によって初めて報告された。EMC は CERN の別の実験グループである。しかし、この観測の原因は長らく不明のままだった。この現象は核部分子分布関数（nuclear PDFs、または nPDFs）と呼ばれ、その驚くべき点は、核子を核内に束縛するのに必要なエネルギーが、その内部構造を解明するのに必要なエネルギーに比べて微々たるものであることだ。
ATLAS 合作組織の研究者たちは、超周辺鉛イオン衝突を用いてこの謎を解き明かした。これらの衝突では、イオンは正面衝突せず、互いに接近しながらも重ならず、電磁場を通じて相互作用する。一部の衝突では、一方の核から放出された光子がもう一方の核に衝突し、狭い粒子流を生成する。これにより、核内のパートロンをさらに研究することが可能になる。通常、これらの相互作用は核を破壊し、ATLAS 実験の零度カロリメータ（ZDC）で検出可能な「前方」中子を放出する。しかし、ごく少数のケースでは、光子が核を破壊せず、単一の核子のみを叩くため、「前方」中子は生成されない。
研究者たちは 2018 年に実施された鉛イオン衝突のデータを使用し、総光度は 1.72 nb⁻¹ であった。
nPDFs の特定手法
どのように nPDFs を特定するのか。光子が単一の核子のみを叩く稀な事象を見つけるため、研究者たちは少なくとも 2 つのジェットを生成しつつ ZDC でほぼ追加の活動がない衝突を選択した。次に、これらの衝突を 2 種類に分類した。前方中子を含む衝突（0nXn とタグ付け）と、前方中子を持たない周辺衝突（0n0n とタグ付け）である。前者では、叩かれた核子が核のより深い位置にある可能性が高く、後者では核の縁に位置する可能性が高い。観測されたジェットの測定を通じて、研究者たちはパートロンの運動学に代理変数を割り当てた。
x+ はそのような変数の一つで、叩かれたパートロンが担う核子運動量の割合を推定するのに役立つ。2 種類の事象の x+ 分布を比較することで、研究者たちは PDF の変化を特定しようとした。包含衝突と周辺衝突を比較した際に明確な傾斜が現れ、それらの nPDFs に差があることが示唆された。これらの差が統計的に有意かどうかを判断するため、チームは統計検定を行い、核の縁に位置する核子と中心に位置する核子が異なるパートロン分布を持つことを確認した。これはプレスリリースによるとのことだ。
ATLAS の研究が核物理学の理解をどう変えるか
ATLAS 合作組織の発見は核物理学にとって重要な意義を持つ。なぜなら、それは原子核の内部構造に関する我々の基本的理解に挑戦するものだからだ。これまでの研究は主に核子の全体的な振る舞いに焦点を当てていたが、今回の研究は位置が核子の内部構造に影響を与えることを明らかにし、核子間の相互作用を理解する新たな視点を提供した。さらに、この研究の技術的革新、特に衝突実験への応用は、将来の核物理研究に新たな方向性を開く可能性があり、亜原子粒子の振る舞いへの更なる探求を促進する。