あなたはものが何であるかわからない、あなたの手でそれを保持するあなた。 アトムズ? はい、ものは原子でできています。 そして、すべての原子は電子によって軌道に乗った核です。 すべての核は陽子でできています。 すべての陽子はあります-しかし、そこにあなたは行の終わりに達します。 プロトンの中には、深く不安な真実があります：ものは何もない、またはほとんど何もない、接着剤、たくさんの接着剤によって一緒に保持されています。 物理学者は1973年にこれを最初に疑い始めました。 最近、それは実験によって証明されています。

Cern Photo

Frank Wilczekはプリンストン大学の21歳の大学院生で、1973年に陽子のこの理論を開発するのに役立ちました。 彼は最初は本当にそれを自分で理解していませんでした。 「私たちは計算をしましたが、単純な直感的な理解はありませんでした」とWilczek氏は言います。 “物理的な画像は後で来た。”それは本当に単純ではないので、その写真は、物理学者が吸収するためにもしばらく時間がかかりました。 今日でも、物理学者に陽子を記述するように頼むと、最初に漫画版が得られます—陽子はクォークと呼ばれる三つの小さな粒子で作られていると言うもの。 その説明は正確に偽ではありません—それはちょうど低解像度です。 それは30,000フィートからのタイムズスクエアの映像が本当である方法本当である。 Wilczekと彼の同僚がずっと前に垣間見ることができたクローズアップの現実は、はるかに怒っていて奇妙です。

陽子は3つのクォークでできていますが、クォークは無限小で、陽子の総質量のわずか2％程度です。

陽子は3つのクォークでできています。

陽子は3つのクォークでできています。 彼らは陽子の中で光速に近い速度で周りをガタガタしていますが、他の粒子のちらつきの雲の中に閉じ込められています—他のクォークは簡単に具体化してから消え、何よりもクォークを結合する力を伝達するグルオンです。 グルーオンは質量がなくエバネッセントであるが、陽子のエネルギーの大部分を運ぶ。 そのため、陽子はクォークではなくグルーオンで作られていると言う方がより正確です。 陽子は接着剤の小さな塊ですが、その絵でさえも静的で実質的なものを伝えています。 すべては陽子の中のフラックスとパチパチのエネルギーです; それは瓶の中の終わりのない雷の嵐のようなものです、より少ないボトル。直径のインチの1兆。 “それは非常に豊かで動的な構造です”とWilczek氏は言います。 “そして、それを再現できる理論があることは非常に喜ばしいことです。”

あなたが理論を発明した人の一人であることが起こる場合は特に、二十年以上後、その理論は実際に実験によって検証されている場合。 ドイツのハンブルクにあるHERAと呼ばれる粒子加速器では、物理学者は過去8年間電子を陽子に発射しており、クォークがどのように物質的ではないかを示しています。 一方、他の加速器実験では、宇宙が最初にすべての陽子をどのように組み立てたかがすぐに明らかになるかもしれません。 2月、ジュネーブ郊外の欧州素粒子物理学研究所(CERN)の物理学者たちは、大量の陽子を溶かすことに成功したという「説得力のある証拠」を発表し、ビッグバンの後にマイクロ秒後に最後に存在した一種のクォーク・グルーオンプラズマを一瞬にして作り出しました。 すべての陽子は今、そのスープから凝固しました。 ニューヨークのロングアイランドにあるブルックヘブン国立研究所では、この夏、毎日クォーク-グルオンスープを調理するために、より強力な加速器が設定されています。 来年までに物理学者は、それが太陽の表面よりも十億倍暑かったときに宇宙がどのようなものであったかのはるかに良いアイデアを持っている量子色力学、またはQcd、Wilczekと彼の同僚が発明した理論は、量子場理論の一種であり、初心者のための量子場理論はこのようなものになります。 まず、アインシュタインが発見したように、E=mc2。 すなわち、エネルギーは質量に変換され、その逆もまた同様である。 第二に、空の空間は空ではありません：私たちが真空と呼ぶものは、実際にはあらゆる種類のエネルギー場で沸騰しており、エネルギーは常に”仮想”粒子として現れており、存在にポップしてからナノ秒の兆未満のもので再び消えています。 「真空のこの構造を見ることは私たちにとって非常に有用ではないでしょう」と、現在プリンストン高等研究所の教授であるWilczekは言います。 “それは私たちがサーベル歯のトラを避けたり、子供を育てるのに役立つわけではないので、進化はそれを無視するように教えてくれました。 しかし、それはそこにあります。”

第三に（そして私たちのフィールド理論入門書の最後に）、二つの亜原子粒子がお互いに力を発揮するとき、それらはそれら自身が作成するのに役立 具体的には、彼らはそれらの仮想粒子の1つ、すなわち量子場の量子を交換しています。 例えば、電子は-1の電荷を持ち、その電荷は電場を生成する。 電子が移動している場合、常にその軸上を回転し、原子核を周回しているように、磁場も生成します。 2つの荷電粒子が相互作用するとき、例えば、電子がHERAの陽子から散乱されるとき、それらは電磁場の量子である仮想光子を交換する。 このような相互作用を記述する理論は、とりわけリチャード-ファインマンによって発明され、量子電気力学、またはQEDと呼ばれています。

QEDでは、個々の電子は短命の仮想粒子の雲に囲まれています-光子だけでなく、陽電子と対になった他の電子、それらの正に帯電した反物質双子。 これらの群がっている粒子対は、少なくとも画面の外側から見たように、電子場を部分的に打ち消すスクリーンを形成する。 一方、画面の内側からは、ランプシェードが取り外されると、裸の電球のように、フィールドはあなたが期待するよりも強く見えます。 “わかりました、それはスクリーニングであり、それは非常に理解しやすいです”とWilczek氏は言います。 「Qcdで起こることは、陽子の内部では、正反対です。 それは私たちにとっても驚きだったので、あまりにも簡単ではありません。 しかし、我々は長年にわたって、より基本的な用語でそれを理解するようになってきました。”

Wilczekが先駆的な仕事をした1970年代初頭は、素粒子物理学者にとって酔わせるような時代でした。 彼らの空気は、私たちの残りの部分が呼吸するものとは多少異なり、QCDはその中にありました。 数年前、スタンフォード線形加速器センターの研究者は、初めて陽子を貫通するのに十分な高いエネルギーに電子を加速していました。 電子はドロドロに突入しているようには見えませんでした;彼らは陽子内の点のようなナゲットを跳ね返るように見えました。 1964年に純粋に数学的な実体として仮定されていたクォークは、陽子の中に実際に存在するかのように見え始め、全体がどのように一緒に保持されていたかという問題が緊急かつ刺激的になった。 Wilczekと彼の顧問、David GrossがPrincetonで答えを発見していた間、David Politzerという別の大学院生がハーバード大学でそれを独立して発見していました。 グロスは31歳でトリオの老人だった。 “私たちは新しく開かれたビーチに沿って散歩し、実験が明らかにした多くの美しい殻を拾うことができたとき、私たちは若くて幸運だった”と彼は後に書”

一つのシェルは、残りの部分よりも見知らぬ人でした。 スタンフォードの実験では、クォーク間の力（強い力として知られている）が、クォークが近づくにつれて実際に弱くなったことが示されていました。 それは非常に奇妙だった。 私たちが日常的に遭遇する力、電磁気学と重力は、ちょうど反対の方法で行動します：それらはそれらの源からの短い距離でより強く、長いもので弱 それは直感的な方法であり、それは物事がどのようにすべきかです。 そうでなければ、例えば、磁石は遠くの魅力的なストーブにしがみつくためにあなたの冷蔵庫を離れて飛ぶだろう—遠くから冷蔵庫が再びそれらに良 しかし、強い力が非常に短い距離にあったので弱い、それは懸命に試み、陽子からクォークを引き出すことに失敗した物理学者を挫折させるのに十分 誰も孤立して観察することはできませんでした。WilczekとGrossは、そのような力を説明できる場の量子論を探しに行きました。

WilczekとGrossは、そのような力を説明することができます。 実際にグロスは、それらが失敗することを期待しました; 彼は場の理論が行き止まりであることを証明したかった。 しかし、非アーベルゲージ理論と呼ばれる一種の数学的形式主義はまだ試みられていなかった。 Wilczekは、粒子が非アーベル量子場を介してどのように相互作用するかの計算をノートに記入する半年を費やしました。 最後に、彼はグロスが予想したように、良い力が必要であるように、近い四半期に強くなった力を持っていたが、スタンフォードで測定されていたものとは Wilczekは何度も何度も長い計算をチェックしました。 その後、グロスは、マイナスであったはずのフィールド方程式に単一のプラス記号を発見しました。 その記号の変更はすべてを変えました：QCDが生まれました。qcdによると、陽子の内部では、スタンフォードの結果が示唆したように、クォークは”漸近的に自由”であり、それらの間に力が全くないかのように動くことを しかし、自由は幻想である：クォークは、そのパートナーを逃れることはできません。 それらの間の距離が増加するにつれて、力もそうであり、そのようにわがままなクォークは必然的にバンジージャンパーのように、でreinedされています。 だからこそ、誰も孤独なクォークを見たことがない、または見たことがないのです。 「陽子には部品がありますが、分解することはできません」とCernの理論物理学者であるAlvaro de Rújula氏は述べています。 “あなたはあなたの手に電子を保持することができます。 あなたの手にクォークやグルオンを保持することはできません。”

奇妙さはグルーオンから来ています。 陽子を一緒に保持する力である量子色力学は、原子を一緒に保持する力である量子電気力学に密接にモデル化されているが、グルーオンは反クリーニングに変化し、直感的に奇妙に変化する。 量子色力学では、クォークは色と呼ばれる新しい種類の電荷を持ち、通常の色とは何の関係もなく、それらの電荷は色場を生成します（したがって色力学）。 場の量子、そして強い力の送信機は、グルオンです。 電磁力を伝達する光子のように、グルオンは質量がありません。 しかし、光子とは異なり、グルオンは充電されます。 それはそれ自身の色場を発生させ、それ自身の強い力を発揮し、そして他のグルーオンと慣性を発揮します。 それは豊かな生活をリードしています。

色場は、電磁界のように、2つの成分を有すると考えることができます—それらを色電気および色磁気と呼びます。 動きの速い色電荷—グルオンは光速で移動し、強い色磁場を生成する。 グルオンは、このように小さな双極子磁石のようなものです。 クォークを取り囲むグルオンは、磁石がそうであるように、その色場に平行に整列し、仮想粒子が電子の場を行うように、それを弱めるのではなく、それを強 彼らはクォークを反遮蔽し、その場を増幅する。 ここではランプの類推はもはや機能しません—クォークは薄暗い電球で、何とか日陰の外で明るくなります。それが陽子を一緒に保持しているものであり、それが奇妙な内部構造を与えるものです。

それは陽子を一緒に保持しているものです。

それは あるクォークが別のグルオン雲の中に入ることができれば、それは微弱な魅力に過ぎません。 しかし、それが遠くに行くほど、より多くのそれはグルーオンの追加されたプルを感じている—クォークによって放出されたグルーオン、他のグルーオンによって放出されたグルーオン、より多くのグルーオンを交換する仮想クォーク-antiquarkペアに実体化するグルーオン。 「クォークは全体をトリガーしますが、一度開始すると、グルオンが相互作用するため、非常に強力なプロセスです」とWilczek氏は言います。 「それは一種の暴走プロセスです。”

1974年に、De Rúula、Politzer、Wilczek、および他のいくつかの物理学者は、陽子のこのグルオン化を提案し、いつかそれがどのように測定されるかを提案した。 二十年後、HERAの科学者たちはちょうどそれをやって始めました。 HERAはリング状の加速器で、約4マイルの周りにあり、毎秒47,000周を行う電子が他の方法で陽子に粉砕されます。 衝突のエネルギーが大きいほど、電子が偏向される前に陽子に深く入ることができます。 何百万もの衝突で電子がどのように偏向されるかを測定することによって、物理学者は偏向を行っている内部成分に関する情報を収集すること Wilczek氏によると、陽子の内部をピクセル単位で撮影するようなもので、その結果は彼と彼の同僚が数十年前に作った提案に合っています。

「陽子が3つのクォークで作られているのは、最も粗いレベルでしかありません」とWilczekは言います。 “あなたが近くを見て、これらの雲の中に入って、基本的な構造を見始めると、それは主に接着剤であることがわかります。”

これは、宇宙がどのようにしてそのようなものを設計することができたのかという疑問をより面白くします。

粒子物理学の研究室を訪問することは、研究されている物体の小ささと、それに費やされている資源-人、機械、計算能力、電力、空間、お金—の巨大さとの間のスケールのコントラストに打たれるべきである。 （そのインフラストラクチャが宇宙の起源に関する情報を支払うために高い価格と思われる場合は、科学者が巨大なデータファイルを通信するのを）CERNは、その隣人であるジュネーブ市とほぼ同じくらいの電力を消費します。 CERNの最大の加速器、大きな電子-陽電子衝突型加速器は、17マイルの周りの円形のトンネルを占めています。 今後数年間で、それは解体され、さらに強力な加速器、ビッグバンの後に数兆秒の存在していたエネルギーを再作成する大型ハドロン衝突型加速器に （ハドロンは陽子のような核粒子であり、クォークとグルーオンでできています。）クォーク-グルオンプラズマを作るためには、最初のマイクロ秒が行うので、それほど強力ではない加速器が必要です。

それでも、CERNのスーパープロトンシンクロトロンは四マイル以上です。 それは地下300フィートにあるトンネルに収容されており、そのトンネルでは、わずか数インチの幅のアルミニウム管の中で、鉛の核は、光の速度の99.9パーセ 彼らはその後、表面までと巨大な、factorylikeホール、300ヤードの長さに案内されます。 アルミニウム管は異なる検出器に分岐し、それぞれ208個の陽子と中性子、陽子の電気的に中性の双子からなる鉛核が、わずか数百マイクロメートルの厚さの鉛箔に粉砕される。

次に何が起こるかは、理論的には、簡単です: 衝突は、陽子と中性子を溶融するのに十分な強烈な火の玉を作成します。 クォークとグルオンは、陽子の内部の深いところで自由に循環しますが、現在は多くの陽子が広い領域でクォーク-グルオンプラズマを形成しています。 “ビッグバンの映画を逆方向に実行すると、密度が高く、密度が高く、熱くなります”と、Cern検出器の設計を手伝ったフランクフルト大学のReinhard Stockは言います。「量子色力学では、クォーク-グルオンプラズマがあるエネルギー密度で存在することが要求されますが、それが存在することを証明する必要があります」とStock氏は述べています。 “それが私たちがここ15年間ここにいた理由です。”

問題は、実験室の火の玉が急速に膨張し、急速に冷却することです。 クォークとグルーオンが再び陽子や他のハドロンに凝縮する前に、プラズマはわずか10-22秒間生存します。 物理学者が実際に検出するのは、鉛箔の後ろに出てくる何千ものそのような粒子のスプレーです。 Stockの検出器では、粒子は部屋の大きさのアルゴンガスの箱を飛び、アルゴン原子から電子をノックします。 カウンターは電子を記録し、コンピュータは粒子の軌跡を再構築し、それらの身元を明らかにする。 物理学者がデータの大洪水を分析したら—各衝突は10メガバイトのデータをもたらし、ストックと彼の同僚は何百万もの衝突を記録しました—彼らはプラ

過去数年間、CernのStockの検出器や他の人たちは、火球がクォーク-グルオンプラズマを生成するのに十分なほど熱く、密度が高いことを確認しました。 彼らは、「奇妙な」クォークを含む粒子の過剰と、「魅力」を含む粒子の不足を発見しました—どちらも量子色力学によって予測される副作用です。 （ストレンジクォークとチャームクォークは、通常の粒子には見られないエキゾチックな種類です。）それはすべて、CERNがクォークグルーオンプラズマを作成しているという強力なケースに相当します-しかし、それは証拠にはなりません。 「問題は、彼らがそれを直接観察することができなかったことです」とBrookhaven National Laboratoryの物理学者であるTom Ludlam氏は言います。

今年の夏に物理学を開始する予定のBrookhavenの相対論的重イオン衝突型加速器は、CERNで可能なエネルギーの10倍で金の核を衝突させるので、クォーク-グルオンプラズマが小さな瞬間を長く生き残ることを可能にする温度を達成する。 クォークが1兆度から冷却されると、ガンマ線光子の形で熱放射を放出するはずです。 これはクォーク-グルオンプラズマからの最も直接的な信号であり、ブルックヘブンのコライダーはそれを検出することができるはずである。 あなたはそれをすべての陽子が生まれたときに宇宙が放出した光のフラッシュと考えることができます。Brookhavenの科学者でさえ、陽子がどこから来たのかという疑問に最終的に答えることはできません。

中心的な謎が残るでしょう。 陽子の内部では、グルオンが出入りするように、クォークとantiquarksが無数の群れで出入りするように、一つの数は一定のままです：antiquarksがあるよりも三つのより多くのクォークが常にあります。 これらは、Wilczekが言うように、「非常に粗いレベルで」陽子を構成するクォークです。 なぜ彼らは物質であり、反物質ではないのですか？ なぜ宇宙は物質でできていて、反物質ではないのですか？ 答えは量子色力学を超えています。 ウィルチェクや他の理論家が正しければ、クォークと反クォークの間のわずかな不均衡は、原始クォーク-グルオンプラズマ中にすでに存在していた。 その起源を理解するには、CERNの大型ハドロン衝突型加速器のようなさらに高いエネルギーに達する加速器が必要です。 それは新しい種類の理論を必要とするでしょう—そのうちのいくつかは、残念なことに、私たちが知っていて愛している4つよりも多くの次元を持

物理学が進化するにつれて、量子色力学が私たちに与えてくれた陽子のイメージは、安心して具体的で固体に見えるようになるかもしれません。 あなたがそれをすることを想像することができれば、一種の核下グライダーで強い力に乗ることは、地球の大気を通って落ちるようなものです。 陽子の上層大気は、仮想クォーク-反クォーク対の薄い巻雲であり、それらは下にあるもののための盾を形成する。 あなたがそれらを過ぎて落ちるように、大気はより密で密になり、雲はより厚く厚くなります。 Gluons—あなたの飛行機は、色の雷の点滅によって周波数と力を増加させると打たれています。 そして、おそらくあなたの降下を通って道の五分の四、あなたは雲のカバーから出てきます。 乗り心地は今落ち着いています。 彼らは連続的なシートに融合しており、どういうわけかあなたは一度にフェザーライトを感じ、すべての力から免疫があります。 あなたは今、陽子の中心の近くにいて、あなたが完全な自由の漸近線に向かって落ちるときに完全に閉じ込められていて、あなたは見つけています。 . . あまりない

“よく見ると、陽子が多くの粒子に溶解していることがわかります。 “そして、すべてのことを引き起こした現実の要素、クォークは、雲の真ん中にあるこれらの小さな小さなものです。 実際には、無限に短い距離への進化に従うと、トリガー電荷はゼロになります。 あなたが本当に方程式を勉強すれば、それはほとんど神秘的になります。”