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SCIENTIFIC AMERICAN May 2006 

"The First Few Microseconds"

「宇宙最初の100万分の1秒」より抜粋

By Michael Riordan /William A. Zajc M. リオーダン /W. A. ザイツ
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For the past five years, hundreds of scientists have been using a powerful new atom smasher at Brookhaven National Laboratory on Long Island to mimic conditions that existed at the birth of the universe. 米国大西洋岸,ニューヨークにほど近いロングアイランド島にある米国立ブルックヘブン研究所で,この5年間,何百人もの科学者が宇宙誕生直後の状態を再現しようと試みてきた。
Called the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, pronounced "rick"), it clashes two opposing beams of gold nuclei traveling at nearly the speed of light. The resulting collisions between pairs of these atomic nuclei generate exceedingly hot, dense bursts of matter and energy to simulate what happened during the first few microseconds of the big bang. These brief "mini bangs" give physicists a ringside seat on some of the earliest moments of creation. 実験に使うのは相対論的重イオン衝突型加速器(Relativistic Heavy Ion Collider)。頭文字をとって「RHIC(リック)」と呼ばれる新鋭の加速器だ。ほぼ光速で互いに反対方向に飛ぶ金の原子核ビームどうしを正面衝突させ,極めて高温高密度な物質の爆発状態を生み出し,ビッグバンから数マイクロ秒間の超高エネルギー状態をシミュレーションする。私たちは,この“小ビッグバン”によって,宇宙最初期の状態を再現し,その模様を“砂かぶり”から見物できるようになった。
During those early moments, matter was an ultrahot, superdense brew of particles called quarks and gluons rushing hither and thither and crashing willy-nilly into one another. A sprinkling of electrons, photons and other light elementary particles seasoned the soup. This mixture had a temperature in the trillions of degrees, more than 100,000 times hotter than the sun's core. 宇宙誕生直後はクォークやグルーオンという粒子が激しく動き回って衝突を繰り返す超高温,超高密度の状態だった。この濃厚な“スープ”の温度は数兆度,つまり太陽中心部の10万倍以上に達するほど熱く,微量に含まれる光子や電子などの小質量の素粒子が“スパイス”になっていた。
But the temperature plummeted as the cosmos expanded, just like an ordinary gas cools today when it expands rapidly. The quarks and gluons slowed down so much that some of them could begin sticking together briefly. After nearly 10 microseconds had elapsed, the quarks and gluons became shackled together by strong forces between them, locked up permanently within protons, neutrons and other strongly interacting particles that physicists collectively call "hadrons." Such an abrupt change in the properties of a material is called a phase transition (like liquid water freezing into ice). 宇宙は膨張するにつれて温度が急激に低下した。普通のガスが急膨張して冷えるのと同様の現象だ。クォークとグルーオンの動きはゆっくりしたものとなり,あるものは短時間だが結びつくようになった。そして約10マイクロ秒後,クォークとグルーオンは強い相互作用によって結びつき,陽子や中性子など「ハドロン」と総称される粒子の中に永久に閉じ込められた。
このときを境に宇宙はクォークとグルーオンが混在した状態から,陽子や中性子などからなる現在の状態へと変化した。これを宇宙の相転移という。相転移とは,一般に物質の特性が急激に変わる現象をいい,水が冷えて氷になるのが身近な例だ。
The cosmic phase transition from the original mix of quarks and gluons into mundane protons and neutrons is of intense interest to scientists, both those who seek clues about how the universe evolved toward its current highly structured state and those who wish to understand better the fundamental forces involved. 現在の宇宙には銀河や銀河団,超銀河団などといった構造が見られる。では,どのようにして宇宙はこうした姿へと進化していったのか。 その謎解きの手がかりが宇宙の相転移にあると考えられている。現在,粒子間には強い相互作用や重力などの力が働いているが,こうした力の本質をよりよく理解する上でも,宇宙の相転移は重要な研究対象になっている。
The protons and neutrons that form the nuclei of every atom today are relic droplets of that primordial sea, tiny subatomic prison cells in which quarks thrash back and forth, chained forever. Even in violent collisions, when the quarks seem on the verge of breaking out, new "walls" form to keep them confined. Although many physicists have tried, no one has ever witnessed a solitary quark drifting all alone through a particle detector. 今日,あらゆる原子の中心に位置するのは原子核であり,原子核を構成するのは陽子と中性子だ。この2つの粒子は宇宙が相転移する前の“原始の海”を閉じ込めた“しずく”といえる。
このしずくの中ではクォークが動き回っているが,永久に外には出られない。その意味では,鎖から解き放たれることのない極小の“監獄”といえる。激しい粒子衝突を起こしてクォークを監獄から飛び出させようとしても,クォークの周りに新しい「壁」ができてしまう。これまでさまざまな試みがあったが,単独のクォークを粒子検出器で観測できた例はない。
RHIC offers researchers a golden opportunity to observe quarks and gluons unchained from protons and neutrons in a collective, quasi-free state reminiscent of these earliest microseconds of existence. Theorists originally dubbed this concoction the quark-gluon plasma, because they expected it to act like an ultrahot gas of charged particles (a plasma) similar to the innards of a lightning bolt. 一方,RHICが再現する宇宙誕生から数マイクロ秒の状態ではクォークとグルーオンは混ざり合い,ほぼ自由に動き回る粒子集団になっている。つまり陽子や中性子の束縛から解き放たれたときのクォークの様子を探ることができる絶好の機会なのだ。
この混合物を「クォーク・グルーオン・プラズマ」と呼ぶ。プラズマは超高温の荷電粒子の集まりで,稲妻の内部などがその例だ。クォークも電荷を持つことなどから,誕生したばかりの宇宙もプラズマのように振る舞うと予想されたため,この名が付いた。
By smashing heavy nuclei together in mini bangs that briefly liberate quarks and gluons, RHIC serves as a kind of time telescope providing glimpses of the early universe, when the ultrahot, superdense quark-gluon plasma reigned supreme. And the greatest surprise at RHIC so far is that this exotic substance seems to be acting much more like a liquid--albeit one with very special properties--than a gas. 重い原子核どうしを衝突させて小ビッグバンを起こすRHICは“時間の望遠鏡”といえる。そして,これまでにRHICで得られた最も驚くべき結果は,このエキゾチックな物質が,気体というよりむしろ液体のように振る舞うらしいということだ。