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SCIENTIFIC AMERICAN May 2015

The Glue That Binds Us

支配者グルーオンの謎

By Rolf Ent /Thomas Ullrich/Raju Venugopalan R. エント /T. ウルリッヒ/R. ベヌゴパラン
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The ancient Greeks believed atoms were the smallest bits of matter in the universe. Then scientists in the 20th century split the atom, yielding tinier ingredients: protons, neutrons and electrons. Protons and neutrons, in turn, were shown to consist of smaller particles called quarks, bound together by “sticky” particles, the appropriately named gluons. These particles, we now know, are truly fundamental, but even this picture turns out to be incomplete.  古代ギリシャ人は宇宙における物質の最小構成要素は原子だと考えていた。20世紀の科学者はその原子を分割し,より小さな陽子と中性子,電子という構成要素からなることを明らかにした。そして陽子と中性子はクォークというさらに微小な粒子の集まりであり,クォークどうしは糊(グルー)のような働きをするその名も「グルーオン」という粒子を介して結びついていることが判明した。これらの粒子は物質を構成する真の基本粒子ではあるが,この描像もいまだ不完全であることがわかっている。
Experimental methods for peering inside protons and neutrons reveal a full-fledged symphonic orchestra within. These particles each consist of three quarks and varying numbers of gluons, along with what are called sea quarks—pairs of quarks accompanied by their antimatter partners, antiquarks—which appear and disappear continuously. And protons and neutrons are not the only particles made of quarks found in the universe. Accelerator experiments in the past half a century have created a host of other particles containing quarks and antiquarks, which, together with protons and neutrons, are called hadrons.  陽子と中性子を覗き見る実験によって,その内部がフル編成のオーケストラのような状態であることが明らかになった。至るところでクォークと反クォーク(クォークの反粒子)のペアが生成・消滅を繰り返す“クォークの海”の中に,3つのクォークが複数のグルーオン(その数は場合によって違う)によって結びついた構造が存在する。また,クォークが集まってできた粒子は陽子と中性子だけではない。過去半世紀の加速器実験によって,クォークや反クォークが結びついた様々な粒子が作り出された。これらは陽子と中性子とともにハドロンと総称される。
Despite all this insight—and a good understanding of how individual quarks and gluons interact with one another—physicists, to our dismay, cannot fully explain how quarks and gluons generate the full range of properties and behaviors displayed by protons, neutrons and other hadrons. For example, adding up the masses of the quarks and gluons inside protons does not begin to account for the total masses of protons, raising the puzzle of where all this missing mass comes from. Further, we wonder how exactly gluons do the work of binding quarks in the first place and why this binding seems to rely on a special type of “color” charge within quarks. We also do not understand how a proton’s rotation—a measurable quantity called spin—arises from the spins of the quarks and gluons inside it: a mystery because the smaller particles’ spins do not easily add up to the whole.  こうした知見が蓄積し個々のクォークとグルーオンの相互作用もかなりよく理解できているのに,私たち物理学者は残念ながら,陽子や中性子などのハドロンが示す様々な性質や振る舞いをクォークとグルーオンがどのように生み出しているのかを完全には説明できていない。
 例えば陽子内部に存在するクォークとグルーオンの質量を合算しても,陽子の質量には届かない。不足分がどこに由来するのかは謎だ。さらに,グルーオンがどのようにクォークを結びつけているのか,厳密なところがそもそもわかっていない。その結合にはクォークの「カラー(色荷)」が関係しているようなのだが,なぜそうなっているかも不明だ。
 またこれらの粒子は一種の自転をしており,「スピン」という物理量を持つ。単純に考えれば,陽子を構成するクォークとグルーオンのスピンの値を足し合わせると陽子のスピンの値になるように思えるが,そうはなっていない。陽子のスピンをどう理解すればよいのかも未解決だ。
If physicists could answer these questions, we would finally begin to comprehend how matter functions at its most fundamental level. Identifying the main enigmas surrounding quarks and gluons, which we will detail below, is itself a key step toward discerning the physics of matter at its finest levels. Ongoing and future work, including studies focused on exotic configurations of quarks and gluons, should help demystify the puzzles. With a little luck, we will soon be able to break out of the fog.  これらの謎を解明できれば,私たちは最も基本的なレベルでの物質の振る舞いをついに理解し始めたことになる。クォークとグルーオンにまつわる主な謎を以下に詳しく述べるが,それらを認識すること自体が,最も微細なレベルで物質の物理を理解するための重要なステップといえる。クォークとグルーオンの風変わりな状態に関する研究などが進んでおり,今後の取り組みとともに謎解きに寄与するはずだ。少し運がよければ,私たちは間もなく霧から抜け出せるだろう。