The Deepest Recesses of the Atom

クォークの世界を探る新加速器EIC計画

By Abhay Deshpande ／Rikutaro Yoshida

A. デシュパンデ／吉田陸太郎


The observable universe is estimated to contain about 10⁵³ kilograms of ordinary matter, most of that in the form of some 10⁸⁰ protons and neutrons, which, along with electrons, are the ingredients of atoms. But what gives protons and neutrons their mass?		観測可能な宇宙には，約10⁵³kgの通常の物質が存在すると推定されている。その大半は約10⁸⁰個の陽子と中性子で，電子とともに原子を構成している。ところで，陽子と中性子の質量はどこに由来するのか？
The answer, it turns out, is not simple. Protons and neutrons are made up of particles called quarks and binding particles known as gluons. Gluons are massless, and the sum of the masses of the quarks inside protons and neutrons (collectively “nucleons”) makes up roughly 2 percent of the nucleons’ total mass. So where does the rest come from?		その答えは簡単ではない。陽子と中性子は，クォークという粒子と，それらを結びつけるグルーオンという粒子からできている。グルーオンには質量がなく，陽子と中性子（まとめて「核子」という）の内部にあるクォークの質量を合計しても，核子の総質量の約2％にしかならない。残りの質量はどこからきているのか？
That is not the only mystery of these basic atomic pieces. Nucleons’ spin is similarly inexplicable—the spin of the quarks inside them cannot account for it. Scientists now think that spin, mass and other nucleon properties result from the complex interactions of the quarks and gluons within. But precisely how this happens is unknown. Theory can tell scientists only so much because the interactions of quarks and gluons are ruled by a theory called quantum chromodynamics (QCD), which is devilishly difficult to compute.		核子に関する謎はほかにもある。核子のスピンも同様に不可解で，核子内のクォークのスピンでは説明できない。科学者は現在，スピンや質量など核子の性質は内部のクォークとグルーオンの複雑な相互作用から生じると考えているが，その厳密な仕組みは不明だ。クォークとグルーオンの相互作用を記述する量子色力学（QCD）の計算はひどく難しいため，理論からわかるのはここまでなのだ。
To move forward, we need new experimental data. That is where the Electron-Ion Collider (EIC) comes in. Unlike other atom smashers, such as CERN’S Large Hadron Collider near Geneva or the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in the U.S., which collide composite particles such as protons and ions, the EIC would collide protons and neutrons with electrons. The latter have no internal structure and become a kind of microscope to see inside the composite particles.		先に進むには新たな実験データが必要だ。そこで「電子・イオン衝突型加速器（EIC）」の出番となる。ジュネーブ近郊にある欧州合同原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）や，米国の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）など，陽子やイオンなどの複合粒子どうしを衝突させる加速器とは異なり，EICは陽子や中性子に電子をぶつける。電子は内部構造を持たない基本粒子であり，複合粒子の内部をのぞき見る一種の顕微鏡となる。
The EIC is one of the highest priorities of the U.S. nuclear science community and would most likely be built at one of two U.S. physics laboratories—Brookhaven National Laboratory on Long Island or the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) in Newport News, Va. If approved, the collider could begin collecting data around 2030. The machine will be able to see how the individual spin and mass of quarks and gluons, as well as the energy of their collective motion, combine to create the spin and mass of protons and neutrons. It should also answer other questions, such as whether quarks and gluons are clumped together or spread out inside nucleons, how fast they move and what role these interactions play in binding nucleons together in nuclei.		EICは米国の原子核科学界にとって最優先プロジェクトのひとつで，米国立ブルックヘブン研究所（ニューヨーク州ロングアイランド）か，米国立トーマス・ジェファーソン加速器施設（ジェファーソン研究所，バージニア州ニューポートニューズ）のどちらかに建設されることになるだろう。　計画が承認されれば，2030年ころにはデータ収集を開始できる。クォークとグルーオンが個別に持っているスピンと質量が，それら粒子の集団的運動のエネルギーとともに，どう組み合わさって陽子と中性子のスピンと質量を生んでいるのかを探れるようになる。また，核子内部でクォークとグルーオンが凝集しているのか広がって存在しているのか，どれだけ速く動いているのか，それらの相互作用が核子を結びつけて原子核にまとめ上げるのにどんな役割を果たしているのか──といった疑問にも答えられるはずだ。