ビッグバン後の最初の数マイクロ秒、宇宙は原子や陽子、中性子でさえも構成されていなかった。それはクォークとグルーオン、つまり物質の基本的な構成要素からなる灼熱のスープであり、あまりにも高温高密度だったため、粒子は個別に存在することができなかった。このスープはクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）と呼ばれ、宇宙が膨張・冷却するにつれて100万分の1秒以内に消滅した。今日これを研究するためには、物理学者がそれを再現しなければならない：鉛の原子核を光速近くまで加速して衝突させるのである。
そして今、20年にわたる探索の末、CERNの大型ハドロン衝突型加速器におけるCMS実験が、2004年に予言された現象、すなわち高エネルギーの粒子がクォーク・グルーオン・プラズマを突き抜けた際に残される「拡散航跡」を確認した。この観測結果はPhysical Review Lettersに掲載が承認され、初期宇宙を満たしていた原始スープの性質を探る新たな窓を提供する。
航跡とは何か
QGPを、クォークやグルーオンが通常は陽子や中性子の中に閉じ込められているにもかかわらず自由に動き回ることができるほど高温高密度の流体と考えてほしい。このプラズマ内部で高エネルギーのクォークまたはグルーオン（「パートン」）が生成されると、その粒子は媒質中を突き進み、移動しながらエネルギーと運動量を放出する。これにより、船の後ろにできる航跡に類似した擾乱が生じる：粒子の前方には圧縮波、後方には物質が枯渇した領域ができる。この枯渇、すなわちジェットと反対方向の低エネルギー粒子の測定可能な不足こそが拡散航跡である。
「拡散航跡は20年以上前に理論的に予測されていましたが、実験データからは捉えられないままでした」と、ポスドク研究員のラグナート・プラダン氏とともに解析を主導したイリノイ大学シカゴ校のオルガ・エヴドキモフ教授は述べた。
統計の問題
航跡の発見が困難だったのは、その存在の有無ではなく、圧倒的な背景ノイズから信号を抽出できるかどうかという問題だった。LHCでの鉛-鉛衝突のたびに何千もの粒子が生成される。その中で航跡の信号はごくわずかである：横運動量が1〜2 GeVの荷電粒子のわずかな不足であり、これはジェット自体のエネルギーのおよそ1000分の1に過ぎない。
LHCのATLAS実験によるこれまでの試みは、光子-ジェット事象を用いたもので、何も見つからず、存在しうるものの上限値しか得られなかった。CMSチームは異なるアプローチ、すなわち1回のハード散乱から2つの背中合わせのジェットが生成されるダイジェット事象を用いることで成功した。ダイジェット事象は光子-ジェット事象よりもはるかに頻繁に発生し、信号を抽出するために必要な統計的力を与える。
チームは、重心エネルギー5.02 TeVで記録された鉛-鉛（PbPb）衝突と陽子-陽子（pp）衝突の両方におけるダイジェット-ハドロン相関を比較した。2つのジェットが検出器の長軸方向に沿って大きく離れている事象を選択し、ジェットが近接している事象の効果を差し引くことにより、拡散航跡の信号が現れた。その統計的有意性は5標準偏差を超え、素粒子物理学における発見のゴールドスタンダードに達した。
初期宇宙への窓
QGPは衝突1回あたりわずか10^-23秒しか存在しないが、その性質を研究することで、ビッグバン後の最初の瞬間に物質がどのように振る舞ったかを物理学者に教えてくれる。「QGP拡散航跡を観測し定量化することは、クォーク・グルーオン・プラズマの特性とダイナミクスの新たな精密特性評価への扉を開き」とプラダン氏は述べ、「初期宇宙の進化に関する新たな洞察を約束します。」
航跡信号は、QGPが最も大きく最も高温となる最も中心的な衝突で最も強く、プラズマがほとんど生成されない周辺衝突では消失した。信号は1〜2 GeV範囲の荷電粒子で最も明瞭であり、2〜4 GeVの間でもより小さいが依然として有意な信号が観測された。
注意点と緊張関係
航跡効果を含む既存の理論モデル、HYBRIDモデルとCoLBT-hydroモデルは、いずれも観測された枯渇を予測しているが、その大きさを過大評価している。これは、QGPが高エネルギージェットにどのように応答するかについての理論的理解がまだ不完全であることを意味する。どのモデルもデータに完全には一致しておらず、改良の余地を残している。
光子-ジェット事象を用いた同じ現象の以前のATLAS探索（Phys. Rev. C 111, 044909, 2025）では上限値しか得られなかった。CMSチームのダイジェット法による成功は、光子-ジェットアプローチが単に十分な感度を持っていなかったことを示唆しており、ダイジェット事象は有意に多くの統計的力を提供する。
今後の展望
2026年6月29日にLHC Run 3が終了したことに伴い、CMS検出器は現在Long Shutdown 3に入り、その間にLHCは2030年に開始予定のRun 4に向けてアップグレードされる。より高輝度の衝突からの新しいデータにより、航跡とその特性のさらに精密な測定が可能になる。将来の研究では、異なるエネルギーや異なる衝突系での航跡の探索も行われ、QGP挙動の新たな側面が明らかになる可能性がある。
「Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions」と題された論文は、CMS Collaboration（A. Hayrapetyan et al.）によって執筆され、Physical Review Lettersに掲載が承認されている。プレプリントはarXiv: 2602.19431 (nucl-ex)で入手可能である。
出典
1. CMS Collaboration, “Observation of the jet diffusion wake using dijets in heavy-ion collisions,” Physical Review Letters 掲載予定, arXiv:2602.19431 (2026). DOI: 10.1103/g49y-8cjl
2. CMS Experimentニュース記事, “In the wake of partons,” 2026年7月8日. cms.cern/news/wake-partons
3. R. Lea, “Earth’s largest particle accelerator opens new window into the early universe,” Space.com, 2026年7月17日.
雅子 訳