自然界最強の結合が「切ると増える」様子を可視化

自然界最強の結合は切られると増える

私たちが日常で目にする物質の多くは、原子の中心にある陽子や中性子から成り立っています。

これらの粒子をさらに詳しく調べますと、その内部には「クォーク」と呼ばれる、陽子直径のおよそ１万分の１という極めて小さな粒子が３個ずつ、しっかりと結びついていることが分かっています。

クォーク同士をつなぐのは「強い力（量子色力）」と呼ばれる自然界最強の結合力で、その働きはグルーオンという媒介粒子によって、いわば“力の糸”として伝えられています。

この力の糸は太いゴムひもにたとえられます。

２つのクォークを引き離そうとすると、ゴムひもが伸びるときと同じように、その糸にエネルギーが蓄積され、張力が際限なく高まります。

この糸は、ゴムひもを強く伸ばしても太さが変わらないのと同じで、張力そのもの――たとえば 1 ギガ電子ボルト毎フェムトメートル程度――はほぼ一定です。

ところが距離を広げるほど、その一定張力が仕事をし続けるため、糸に蓄えられるエネルギーは「長さに比例して」増え続けます。

言い換えれば、１メートル伸ばすには１センチ伸ばすのに１００倍（1メートルは1センチの100倍だから）のエネルギーが必要になる、という直線的な累積です。

「何を当然のことを言うのか？」と思った人……率直に言って、あなたはきっと物理が苦手なのでしょう。

磁石を思い浮かべればわかりますが、通常の粒子の結びつきは離せば離すほど、引き離しに必要な力は減っていきます。

しかしクォークの場合はそれがずっと一定なため、引き離しに膨大なエネルギーがかかったままなのです。

そう考えるとクォーク引き延ばしにかかるメカニズムがいかに異常かがわかるでしょう。

そして通常の輪ゴムならば張力が限界に達すると、切れてしまいますが、自然界最強の結合力は伊達ではありません。

限界時の挙動も全く異なるのです。

クォークに対して切れるくらいにエネルギーを注ぎ込むと、そのエネルギーがあまりにも大きいため周囲の真空（何もないと思われがちな空間）を揺り動かし、新しいクォークと反クォークのペアを瞬時に生み出します。

そしてもともと伸ばされていた糸は二本の新しい糸へと分かれ、元のクォークは現れたばかりの相棒と再び結びつきます。

そのため自然界最強の結合力は絶対に切れない……というわけではありませんが、切れるほどのエネルギーを注ぐことで新たなペアができてしまうわけです。

つまり、どれほど強い力でクォークを引き離しても、単独のクォークが外へ飛び出すことは決して起こりません。

この「糸を切ろうとするほど、切り口から新たなペアが湧き出て、結局クォーク同士が再び対を組む」という仕組みこそが「閉じ込め」と呼ばれる現象です。

大型加速器で高エネルギーの衝突を起こしても、検出器に現れるのは、こうして糸で束ね直された多数のハドロンがシャワー状に飛び出した姿（いわゆるジェット）だけとなります。

閉じ込めがどのように成り立ち、糸の生成や断裂がどのように進むかを数式だけで厳密に追いかけるのは非常に難しく、従来のスーパーコンピューターでも完全な解析は困難でした。

（※いくら離しても引き離しにかかる力が一定という異常さを再現するのが計算で極めて困難だからです）

そこで近年は、量子コンピューターを利用してこの壮大な力学を“机上の実験”として再現し、リアルタイムで可視化しようとする取り組みが進んでいます。

量子デバイス内部に“ミニ宇宙”を作り、ゲージ理論をそのまま縮小コピーすれば、ひもが張り、たるみ、切れるまでをリアルタイムで観察できます。

実際、一次元（線状）のモデルなら、イオントラップや小型量子回路で既に成功例がありますが、平面に広げると糸は左右にも揺れて絡み合い、難易度が跳ね上がります。

そこで今回の研究では、これまで手が届かなかった二次元世界に量子計算機で踏み込み、「(2+1) 次元のゲージ理論で弦が生まれ、引き伸ばされ、そして切れる」一連のドラマを初めて可視化することにしました。

ミュンヘン工科大学のミヒャエル・クナップ教授は「量子コンピューターという顕微鏡を得て、宇宙の基本法則を実験室サイズで検証できる時代が始まりました」と語り、量子技術が理論物理を“机の上の実験”へ変える力を強調しています。

いったいどうやってクォークの輪ゴムは伸びていくのでしょうか？