スイスにある欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の研究者たちは最近、宇宙の始まりの頃から存在していたと考えられる極めて希少な粒子を発見した。この粒子は、正体が正確には分かっていないため、今のところ「X粒子」と呼ばれている。この粒子は、有名な粒子加速器内で数十億個の重イオンを衝突させることで生成された。
LHCのコンパクト・ミューオン・ソレノイドからデータを収集するCMSコラボレーションのチームは、約5.5兆度（華氏9.9兆度）の温度で重鉛原子を衝突させました。チームの研究結果はPhysical Review Letters誌に掲載されています。
物理学者たちは、ビッグバン後の宇宙最初期の物質は、超高温のスープの中に詰め込まれた素粒子のクォークとグルーオンからなるプラズマだったと理論づけている。（ビッグバンから数マイクロ秒後にプラズマが冷えたときに初めて、おなじみの陽子と中性子が形成され、より質量の大きい物質の形成への道が開かれた。）しかし、物質が冷える前に、これらのクォークとグルーオンの一部が衝突し、物理学者がX粒子と呼ぶ、より謎めいた粒子が形成された。
X粒子は現在では珍しい存在となっている。宇宙はもはやそれほど高密度でも高温でもないからだ。しかし、最近の研究とは無関係のMITの素粒子物理学者クリシュナ・ラジャゴパル氏は2010年にこう述べている。「マイクロ秒単位の宇宙の特性に興味があるなら、それを研究する最良の方法は望遠鏡を作ることではなく、加速器を作ることだ。」
研究チームは、X(3872)と呼ばれる特定の質量を持つX粒子を100個特定することに成功しました。これらの粒子は、崩壊するまでに約1兆分の1秒しか生存していませんでした。X(3872)は、2003年にBelle共同研究グループによってバンプハンティング（研究者がシステム内に予期せぬ質量またはエネルギーを発見する手法）によって初めて発見されました。
「X(3872)は奇妙な生き物です」と、オランダ国立素粒子物理学研究所の物理学者で、欧州原子核研究機構（CERN）のLHCbチームのメンバーでもあるパトリック・コッペンブルグ氏は、ギズモードへのメールで述べた。「発見されたとき、私はBelle実験にいましたが、何が起こっているのか理解できずに、その小さな突起を見つめていたのを覚えています。」
昨年、コッペンバーグ率いるLHCbのチームは、テトラクォークの新種を発見しました。X(3872)と同様に、このテトラクォークの寿命は短く、おそらく100兆分の1秒強とされています。LHCでは他のエキゾチックな粒子も現れては消えていきますが、X(3872)は、LHCで生成されたクォーク・グルーオン・プラズマ中で初めて検出されたX粒子です。
新たな研究チームは、130億個のイオンを加速させることで初期宇宙の環境を再現することに成功しました。粒子が衝突すると、数千個の短寿命の荷電粒子が生成されました。MITの物理学者でこの研究の共著者であるイェン・ジエ・リー氏は、ギズモードの取材に対し、最新のデータには他のX粒子が含まれている可能性があるものの、研究者たちは背景ノイズからそれらを適切に選別することができなかったと述べています。
「『Run 3』の最初の重イオン実験は今年末に開始されます。Run 3とRun 4の鉛-鉛衝突実験でより多くのデータを蓄積したいと考えています」とリー氏はメールで述べた。「より大規模なデータセットがあれば、クォークスープにおけるX生成の増強規模を特定し、その内部構造についてより深い洞察を得ることができるでしょう。」
X(3872)の正体はまだ不明です。研究チームは、この粒子は緩く結合した中間子分子（中間子と呼ばれる2つの素粒子が強い力によって結合したもの）か、4つのクォークが集まってできたハドロンの一種であるテトラクォークである可能性があると考えています。「今のところ、中間子分子は決定的に観測されておらず、X(3872)は有力な候補です」と、新データの解析を主導したMITの物理学者ジン・ワン氏は、ギズモードへのメールで述べています。「もしX(3872)が中間子分子であることが判明すれば、初期宇宙には通常のハドロンに加えて、異なる種類の中間子分子が存在していたはずであることが示されます。」
「データを見れば見るほど、Xは分子とチャーモニウム状態の重ね合わせであると確信しています」とコッペンバーグ氏は述べた。重ね合わせの概念をさらに説明し、彼は次のように述べた。「私たちの脳はこれらのことを表現できません。…量子力学では、どちらか一方だけという概念は存在しません。もし二つのものを区別できないのであれば、真実は両方同時に存在しているに違いありません。」
おそらく、LHCの今後の実験で、X(3872)の正体がついに解明されるでしょう。もちろん、そうなれば正式な名前が付けられ、もはやX粒子とはみなされなくなるでしょう。
続き：CERNの物理学者が新たなエキゾチック粒子を発見
